Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) är ett internationellt forskningssamarbete som syftar till att utforska ämnen relaterade till neutrinoer och protonförfall, som bör börja samla in data kring 2025. I en ny studie som presenterades i Fysiska granskningsbrev , ett team av forskare vid Ohio State University har visat att DUNE har potential att leverera banbrytande resultat och insikt om solneutrinoer.

Neutrino -astronomi är ett område som studerar de olika typerna av neutrinoer. Forskning inom detta område, till exempel den nya studien som gjorts av teamet vid Ohio State University, har ökat dramatiskt under de senaste decennierna.

"Så vitt vi vet, neutriner är elementära partiklar, vilket betyder att de inte består av "mindre bitar, '"Francesco Capozzi, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dessa partiklar har ingen elektrisk laddning så att de inte kan interagera elektromagnetiskt via kraften som håller elektroner och protoner ihop i en atom."

Neutrinos är fascinerande partiklar, eftersom deras huvudsakliga egenskaper skiljer sig mycket från de hos andra elementära partiklar. Till exempel, deras massor är otroligt små, ungefär en miljonedel av de näst lättaste partiklarna (dvs. elektroner).

En annan unik egenskap hos neutrinoer är att de bara kan interagera med annan materia via en så kallad 'svag interaktion'. Som namnet antyder, denna "svaga interaktion" är mycket svagare än den elektromagnetiska; så svag att neutrinoer kan resa genom jorden eller solen utan att någonsin interagera med andra partiklar. Dessutom, eftersom de är neutrala ansvariga, neutrinos påverkas inte av jordens eller solens magnetfält.

"Neutrinos egenskaper gör dem till unika sonder i universum, "Capozzi sa." De kan bära information om regioner som annars skulle vara otillgängliga. "

Det finns flera källor till neutrinoer, och beroende på var de produceras, de kan skilja sig åt i flöden, energier per partikel, och andra fastigheter. Solneutriner, till exempel, produceras i solens kärna, men kan sedan fly till andra delar av solsystemet. Ungefär 60 miljarder elektronneutriner per kvadratcentimeter når jorden från solen varje sekund. Genom att analysera dessa partiklar kan forskare avslöja information i realtid om vad som händer i solens mittpunkt.

En annan typ av neutrino innefattar de som produceras under de superenergiska explosionerna av massiva stjärnor, supernova neutrinoer. Dessa neutriner når jorden timmar innan ljuset som produceras i explosionen, och kommer direkt från den innersta delen av en exploderande stjärna, där densiteten är så hög att även neutrinoer kan fastna ett tag. Detta är bara några exempel på neutrinkällor, men det finns otaliga andra, varav några ännu inte har upptäckts.

"Det finns till och med neutriner som har spridit sig fritt genom universum sedan ungefär en sekund efter Big Bang, som bär avtryck från uruniversum, "Capozzi sa." Men vi har fortfarande inte kunnat upptäcka dessa. "

Baserat på vad astrofysiker hittills har observerat, neutrinoer finns i tre huvudsmaker:elektronneutriner, muonneutrinoer och tauneutrinoer. Var och en av dessa olika "smaker" identifieras baserat på den laddade partikeln som produceras under en svag interaktion (dvs. elektroner, muons eller taus).

Än så länge, att upptäcka och studera neutrinoer har visat sig vara otroligt utmanande, främst på grund av att de sällan interagerar med annan materia. Ett sätt att övervinna denna begränsning är att bygga stora detektorer som kompenserar för den låga sannolikheten för neutrinointeraktioner genom att öka antalet möjliga partiklar de kan interagera med.

Super-Kamiokande (Super-K) detektorn i Japan, som i huvudsak består av en tank fylld med 50, 000 ton av det renaste vattnet som finns på jorden, är för närvarande den största detektorn som finns tillgänglig för MeV (lågenergi) neutrinoer. Lågenergi-neutriner är de i MeV-energiområdet, som huvudsakligen produceras i kärnkraftsprocesser, till exempel, via fusionsreaktioner i solen eller i mitten av exploderande stjärnor.

"Ett annat problem är att vi inte kan se neutriner själva använda detektorer; vi kan bara se den laddade partikeln som produceras i deras interaktioner, "Förklarade Capozzi. I Super-Kamiokande, till exempel, vi ser ljuset som dessa laddade partiklar avger i vatten när de färdas med nästan ljusets hastighet. "

Solen är en av de viktigaste naturliga källorna till neutrinoer, eftersom de produceras via samma kärnreaktioner som låter solen skina. När forskare började upptäcka solneutrinoer på 1960 -talet, de fann att det fanns färre elektronneutriner än de förväntade sig.

"En möjlig förklaring till denna avvikelse var att neutrinoer ändrade smak medan de förökade, "Capozzi förklarade." Detta fenomen, nu känd som neutrinooscillation, är fysiskt möjligt endast om neutriner har massa. Det tog cirka 30 år att bekräfta att avvikelsen i solneutrino var, verkligen, på grund av neutrinooscillationer. "

Väsentligen, även om neutrinoer finns i olika smaker, forskare upptäckte att de också kan svänga och "ändra smaker". De två fysikerna som upptäckte detta, Takaaki Kajita och Arthur B. McDonald, fick Nobelpriset i fysik 2015.

"Det kanske konstigaste med neutrinoer är att de pendlar, "Shirley Li, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Neutrinoer födda med en smak kan förvandlas till neutrinoer med en annan smak efter att de spridit sig över en bit. Tänk hur förvånad du skulle bli om du köpte en kopp chokladglass och såg att den förvandlades till jordgubbsglass när du öppnar den kl. fysiker var lika förvånade när neutrinooscillation upptäcktes. "

Sedan upptäckten av neutrinooscillationer, forskare har använt solneutriner för att bestämma parametrarna som beskriver deras svängningar. Trots de stora ansträngningarna för att uppnå detta, många frågor är obesvarade.

För det första, forskare kunde inte observera alla kärnreaktioner genom korrespondentneutrinerna. Till exempel, 'hep' neutrinoer, som produceras genom sammansmältning av en kärnan av Helium och en proton, har visat sig särskilt svårt att observera. Faktiskt, medan hepneutrinoer är de mest energiska bland solneutriner, de är mycket små i flöde jämfört med andra neutrinoer.

Dessutom, oscillationsparametrarna som bestäms i solneutrino -experiment överensstämmer inte helt med de mätningar som samlats in i andra typer av experiment. Detta kan bero på några okända fysiska fenomen som bara påverkar solneutrinoer.

"Vi har inte slut på frågor om solneutriner, vi har slut på detektorframsteg, "John Beacom, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org.

På grund av begränsningarna hos befintliga detektorer, de flesta nuvarande neutrino -experiment kommer sannolikt inte att kunna svara på obesvarade frågor. Detta inspirerade ett stort och internationellt team av forskare att börja bygga DUNE, en stor detektor i en gruva i South Dakota som är 4850 fot under jorden.

"Förr, det har redan diskuterats att DUNE kan användas som en solneutrino -detektor, för, "Capozzi sa." Men ingen grundlig studie i denna riktning har utförts. Vi bestämde oss för att täcka detta gap, visar att DUNE faktiskt kan ge svaren på dessa frågor, med i princip ingen extra pengarinvestering. "

I deras senaste studie, Capozzi, Li, Beacom och deras kollega Guanying Zhu gav sig ut för att bevisa att DUNE-gruvan också kan vara en världsledande solneutrino-detektor. För att göra detta, de bedömde först gruvens mängd bakgrund, vilket i huvudsak är något som observeras i en detektor som efterliknar signalen som man letar efter, även om det har ett helt annat ursprung. Denna bakgrund kan förvirra och påverka negativt mätning och upptäckt av neutrinoer.

"I det energiområde som är relevant för solneutriner, den viktigaste bakgrunden kommer från naturlig radioaktivitet, "Capozzi förklarade." Eftersom experimentet kommer att baseras i en grotta i en djup gruva, radioaktiviteten kommer från den omgivande berget. För att göra en uppskattning av bakgrunden, vi måste först förstå den bergkomposition som förväntas för detektorplatsen. "

Att simulera bakgrundshändelser i DUNE visade sig vara lite utmanande, eftersom dessa kan komma från en mängd olika källor, och för att identifiera dem krävs fördjupade analyser. När de började arbeta med sin studie, forskarna började därmed undersöka bakgrundskällorna för neutrinoexperiment som utförts tidigare och beräknade dessa hastigheter i samband med DUNE.

"Det visar sig att deras priser är rimligt låga jämfört med signalhastigheterna, "Sa Li." Men halvvägs genom vår studie, vi upptäckte i litteraturen att det finns just denna bakgrund för argondetektorer. Dessa är lågenergin neutroner som produceras från radioaktiviteter i omgivande berg. Detta visar sig vara den dominerande bakgrunden för solneutrino -mätning i DUNE. "

Forskarna baserade sina analyser på tidigare litteratur som beskriver de geologiska aspekterna av DUNEs gruva, som är av avgörande betydelse för att slutföra korrekta utgrävningar. Att veta den exakta bergsammansättningen i gruvan, de kunde sedan utföra en beräkning för att förutsäga dess förväntade bakgrund. Senare, de använde statistiska verktyg för att utvärdera den precision som DUNE kan uppnå för att mäta oscillationsparametrarna och flödet av neutriner som flyr från solen.

När de väl identifierat de möjliga bakgrundskällorna i DUNE -experimentet, de försökte komma med strategier för att eliminera bakgrunden, eftersom deras hastigheter vanligtvis är mycket högre än neutrinosignalhastigheterna. De kom med två distinkta lösningar:en som innebär att detektorn omges med ett lager plast och den andra samlar in data i dubbelt så länge för att uppnå bättre känslighet.

"För varje steg i experimentet, vi var tvungna att ta hand om ytterligare detaljer, "Capozzi sa." Till exempel, vi var tvungna att behandla neutrino -interaktionerna noggrant med detektorn, som kommer att vara gjord av flytande argon. På den energi som är relevant för solneutriner, en mycket viktig interaktion är med hela argonkärnan, som beror på komplicerade kärnkraftseffekter. "

Innan de gav sig ut för att bedöma potentialen för DUNE som en detektor för att upptäcka nya saker om neutrinoer, forskarna granskade all tidigare forskning om detta ämne, jämför resultat som erhölls med olika experimentella och teoretiska kärnfysiska tekniker. I sista hand, de valde den teknik som de tyckte var mer lämplig och implementerade den med hjälp av lokala datorer vid deras universitet.

"Vi har nu en teoretisk ram som gör att vi kan beräkna sannolikheten för att neutrinoer föds med en smak som stämmer in i en annan smak, "Sa Li." Detta beror på neutrinoenergin och förökningsavståndet, samt sex oscillationsparametrar. Vi ville mäta så många typer av neutrinooscillation som vi kunde, t.ex., neutrinoer med någon av de tre smakerna som pendlar till andra smaker, för att få de mest exakta mätningarna av de sex oscillationsparametrarna, och viktigast av allt, för att utvärdera om vårt nuvarande ramverk för neutrinooscillation var, verkligen, korrekt."

DUNE-experimentet är utformat för att studera neutriner specifikt genom att mäta ett flöde av högenergimuunneutriner som oscillerar till elektronneutriner som når en stor detektor i den underjordiska gruvan i South Dakota. Detta kan i slutändan tillåta forskare att mäta två oscillationsparametrar som grovt mättes i tidigare experiment med större precision.

Detektorn som används i DUNE -experimentet är extremt stor jämfört med andra befintliga detektorer. Det är 40 kiloton argon som neutrinoer kan interagera med, och det detekterar partiklar via en tidsprojektionskammarteknologi, möjliggör insamling av 3-D-bilder för varje neutrino-interaktion.

"En naturlig fråga är vad mer kan denna fantastiska detektor mäta? "sa Li." Så här fick vi idén att mäta solneutrinoer med DUNE. Soleutrinooscillation är särskilt intressant. Än så länge, solneutrino- och reaktorneutrinooscillationsmönster håller inte något med. Detta kan bero på två skäl:Antingen finns det en osannolik statistisk fluktuation i de aktuella uppgifterna, eller vår nuvarande teoretiska förståelse för neutrinooscillation är inte fullständig. Den andra möjligheten är oerhört spännande. "

Ett annat experiment som heter JUNO, planerad för 2020, kommer att mäta neutriner som kommer ut från kärnreaktorer. Solneutriner och reaktorneutriner är, i princip, känslig för samma oscillationsparametrar. Så om det teoretiska ramverk som forskarna föreslår är rätt, parametrarna som identifierats i JUNO -experimentet (dvs. för reaktorn neutrinoer) bör anpassas till dem som samlats in i DUNE -experimentet (dvs. för solneutriner).

Tidigare studier har funnit avvikelser mellan oscillationsparametrarna för reaktor och solneutrinoer, men de mer exakta mätningarna som kommer att samlas in i JUNO- och DUNE -experimenten kan belysa denna skillnad. Detta kan i sin tur leda till upptäckten av nya fysiska fenomen.

Än så länge, det har funnits viss skepsis i fysikvärlden om att DUNE underjordiska gruva är en effektiv solneutrino -detektor, främst på grund av den stora bakgrundsmängd som förväntas, vilket kan påverka resultatet negativt. I deras studie, dock, Capozzi, Li, Zhu och Beacom visade att DUNE kan leda till världsledande mätningar av solneutriner, samtidigt som det möjligen möjliggör de första noggranna mätningarna av "hep" solneutriner.

"Trots skepsis, vi kunde visa att denna bakgrund kan reduceras drastiskt genom att använda några urvalskriterier för vad vi kommer att se i detektorn, "Capozzi sa." Bakgrunden till vänster kommer bara att dominera över signalen vid låga energier. Högenergidelen kommer att vara 'orörd, 'och vi uppskattade att den kommer att bestå av 100, 000 solneutriner observerade på fem år. "

Förutom att demonstrera den enorma potentialen hos DUNE, Capozzi Li, Zhu, och Beacom introducerade en rad genomförbara teoretiska och experimentella förbättringar som kan förbättra prestandan för DUNE -detektorn. Dessa förbättringar kan också gynna projektet i stort, underlätta undersökningen av andra fysiska fenomen.

För att besvara obesvarade frågor, nästa generation neutrinodetektorer måste vara enorma i storlek och ha avancerade detekteringsmöjligheter. Även med dessa detektorer, några av neutrinoernas egenskaper och egenskaper kommer sannolikt att förbli ett mysterium, eftersom det fortfarande finns många tekniska utmaningar att övervinna.

"Utan denna mätning i DUNE, vi kanske aldrig vet varför solneutriner verkar blanda annorlunda än reaktorantineutriner, "Sa Beacom." Vi säger inte att det kommer att vara enkelt att undersöka detta, men vi säger att det är viktigt. "

Forskarna vid Ohio State University planerar nu att dela resultaten av sina beräkningar och simuleringar, liksom deras förslag på förbättringar med astrofysikgemenskapen i stort. De hoppas att detta kommer att väcka konversation och i slutändan uppmuntra till förändringar som ytterligare kan förbättra DUNE -detektorns prestanda innan experimentet utförs.

"Vi är glada över att se att DUNE -samarbetet undersöker detaljerna i vår analys, och förhoppningsvis kommer vi att se denna analys utföras när DUNE kommer online, "Sa Li." Sammantaget det är en riktigt spännande tid att studera neutrinoer, eftersom det finns så många intressanta mätningar och tester man kan göra i dessa experiment. Jag försöker fortfarande komma med mätningar som inte har övervägts tidigare och studera vad de kan berätta om neutrinoer och fysik utöver standardmodellen. "

Ett av kärnmålen för teamets framtida forskning är att få ut det mesta av observationerna som samlats i DUNE -gruvan eller använda andra stora detektorer. Att göra detta, laget planerar att fortsätta undersöka nya tekniker som kan göra detektorer mer känsliga för neutrinoer producerade från astrofysiska källor.

© 2019 Science X Network