W ciągu prawie dziewięciu lat eksperyment Daya Bay Reactor Neutrino uchwycił bezprecedensowe pięć i pół miliona oddziaływań z cząstek subatomowych zwanych neutrinami. Teraz międzynarodowy zespół fizyków z Daya Bay doniósł o pierwszym wyniku z pełnego zestawu danych eksperymentu – najdokładniejszego jak dotąd pomiaru theta13, kluczowego parametru dla zrozumienia, w jaki sposób neutrina zmieniają swój „smak”. Wynik, ogłoszony dziś na konferencji Neutrino 2022 w Seulu w Korei Południowej, pomoże fizykom zbadać niektóre z największych tajemnic otaczających naturę materii i wszechświata.
Neutrina to cząstki subatomowe, które są zarówno nieuchwytne, jak i niezwykle liczne. Nieskończenie bombardują każdy centymetr powierzchni Ziemi z prędkością bliską prędkości światła, ale rzadko wchodzą w interakcje z materią. Mogą podróżować przez ołów o wartości jednego roku świetlnego, nie naruszając ani jednego atomu.
Jedną z cech charakterystycznych tych widmo-podobnych cząstek jest ich zdolność do oscylowania między trzema różnymi „smakami”: neutrinem mionowym, neutrinem taonowym i neutrinem elektronowym. Eksperyment z neutrinami reaktora Daya Bay został zaprojektowany w celu zbadania właściwości, które decydują o prawdopodobieństwie wystąpienia tych oscylacji lub tak zwanych kątów mieszania i rozszczepiania masy.
Tylko jeden z trzech kątów mieszania pozostawał nieznany w czasie projektowania Daya Bay w 2007 roku: theta13. Tak więc Daya Bay został zbudowany do pomiaru theta13* z wyższą czułością niż jakikolwiek inny eksperyment.
Eksperyment neutrino reaktora Daya Bay, działający w Guangdong w Chinach, składa się z dużych, cylindrycznych detektorów cząstek zanurzonych w kałużach wody w trzech podziemnych jaskiniach. Osiem detektorów odbiera sygnały świetlne generowane przez antyneutrina płynące z pobliskich elektrowni jądrowych. Antyneutrina są antycząstkami neutrin i są produkowane w dużych ilościach przez reaktory jądrowe. Daya Bay została zbudowana dzięki międzynarodowym wysiłkom i pierwszemu tego rodzaju partnerstwu w ramach dużego projektu fizyki między Chinami a Stanami Zjednoczonymi. Chiński Instytut Fizyki Wysokich Energii (IHEP) Chińskiej Akademii Nauk z siedzibą w Pekinie przewodzi Chinom we współpracy, podczas gdy amerykańskie laboratorium Lawrence Berkeley National Laboratory i Brookhaven National Laboratory współkierują udziałem USA.
Aby określić wartość theta13, naukowcy z Daya Bay wykryli neutrina o określonym smaku – w tym przypadku antyneutrina elektronowe – w każdej z podziemnych jaskiń. Dwie jaskinie znajdują się w pobliżu reaktorów jądrowych, a trzecia jaskinia jest dalej, zapewniając wystarczającą odległość, w której antyneutrina mogą oscylować. Porównując liczbę antyneutrin elektronowych wychwyconych przez detektory bliskie i dalekie, fizycy obliczyli, ile zmieniło się smaków, a co za tym idzie, wartość theta13.
Fizycy z Daya Bay dokonali pierwszego na świecie rozstrzygającego pomiaru theta13 w 2012 roku, a następnie poprawili precyzję pomiaru w miarę dalszego zbierania danych w eksperymencie. Teraz, po dziewięciu latach działania i zakończeniu zbierania danych w grudniu 2020 r., doskonałej wydajności detektora i dedykowanej analizie danych, Daya Bay znacznie przekroczyła oczekiwania. Pracując z kompletnym zestawem danych, fizycy zmierzyli teraz wartość theta13 z dokładnością dwa i pół raza większą niż cel projektowy eksperymentu. Nie oczekuje się, że żaden inny istniejący lub planowany eksperyment osiągnie tak znakomity poziom precyzji.
„Mieliśmy wiele zespołów analitycznych, które skrupulatnie przeanalizowały cały zestaw danych, uważnie biorąc pod uwagę ewolucję wydajności detektora w ciągu dziewięciu lat działania” – powiedział współrzecznik Daya Bay, Jun Cao z IHEP. „Zespoły wykorzystały duży zestaw danych nie tylko do udoskonalenia selekcji zdarzeń antyneutrinowych, ale także do poprawy określania tła. Ten poświęcony wysiłek pozwolił nam osiągnąć niezrównany poziom precyzji”.
Precyzyjny pomiar theta13 umożliwi fizykom łatwiejszy pomiar innych parametrów fizyki neutrin, a także opracowanie dokładniejszych modeli cząstek subatomowych i ich interakcji.
Badając właściwości i interakcje antyneutrin, fizycy mogą uzyskać wgląd w nierównowagę materii i antymaterii we wszechświecie. Fizycy uważają, że materia i antymateria powstały w równych ilościach w czasie Wielkiego Wybuchu. Ale gdyby tak było, te dwa przeciwieństwa powinny zostać unicestwione, pozostawiając po sobie tylko światło. Pewna różnica między nimi musiała przechylić szalę, aby wyjaśnić przewagę materii (i brak antymaterii) we współczesnym wszechświecie.
„Spodziewamy się, że może istnieć pewna różnica między neutrinami a antyneutrinami” – powiedział fizyk z Berkeley i współ-rzecznik Daya Bay, Kam-Biu Luk. „Nigdy nie wykryliśmy różnic między cząstkami i antycząstkami w przypadku leptonów, rodzaju cząstek, które zawierają neutrina. Wykryliśmy tylko różnice między cząstkami i antycząstkami w przypadku kwarków. Ale różnice, które widzimy w przypadku kwarków, nie wystarczają, aby wyjaśnić, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii. Możliwe, że neutrina mogą być dymiącą bronią.
Najnowsza analiza ostatecznego zestawu danych Daya Bay zapewniła również fizykom precyzyjny pomiar podziału masy. Ta właściwość dyktuje częstotliwość oscylacji neutrin.
„Pomiar podziału masy nie był jednym z pierwotnych celów projektowych Daya Bay, ale stał się dostępny dzięki stosunkowo dużej wartości theta13” – powiedział Luk. „Zmierzyliśmy podział masy do 2,3% za pomocą końcowego zestawu danych Daya Bay, co stanowi poprawę w porównaniu z precyzją 2,8% poprzedniego pomiaru Daya Bay”.
Idąc dalej, międzynarodowa współpraca z Daya Bay oczekuje przedstawienia dodatkowych ustaleń z końcowego zestawu danych, w tym aktualizacji poprzednich pomiarów.
Eksperymenty z neutrinami nowej generacji, takie jak Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), wykorzystają wyniki Daya Bay do precyzyjnego pomiaru i porównania właściwości neutrin i antyneutrin. Obecnie budowany projekt DUNE zapewni fizykom najintensywniejszą na świecie wiązkę neutrin, podziemne detektory oddalone o 800 mil oraz możliwość badania zachowania neutrin jak nigdy dotąd.
„Jako jeden z wielu celów fizyki, DUNE spodziewa się, że ostatecznie zmierzy theta13 prawie tak dokładnie, jak Daya Bay”, powiedziała fizyk eksperymentalny Brookhaven i współpracownik Daya Bay, Elizabeth Worcester. „To ekscytujące, ponieważ będziemy wtedy mieć precyzyjne pomiary theta13 z różnych kanałów oscylacji, które będą rygorystycznie testować model trzech neutrin. Dopóki DUNE nie osiągnie tak wysokiej precyzji, możemy wykorzystać precyzyjny pomiar theta13 firmy Daya Bay jako ograniczenie umożliwiające wyszukiwanie różnice między właściwościami neutrin i antyneutrin.”
Naukowcy wykorzystają również dużą wartość theta13 i neutrina reaktorowe, aby określić, które z trzech neutrin jest najlżejsze. „Dokładny pomiar theta13 w Daya Bay poprawia czułość porządkowania masowego Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), które w przyszłym roku zakończy budowę w Chinach” – powiedział Yifang Wang, rzecznik JUNO i dyrektor IHEP. „Ponadto JUNO osiągnie poniżej procentową precyzję w podziale masy mierzonym przez Daya Bay za kilka lat”.
Eksperyment Daya Bay Reactor Neutrino jest wspierany przez Ministerstwo Nauki i Technologii Chin, program DOE Office of Science High Energy Physics, Chińską Akademię Nauk, Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych w Chinach i inne agencje finansujące. Współpraca z Daya Bay obejmuje 237 uczestników w 42 instytucjach w Azji, Europie i Ameryce Północnej.
*Fizycy mierzą theta13 w kategoriach jego amplitudy oscylacji, czyli tego, co matematycznie zapisuje się jako sin22θ13.