Bland de mest spännande utmaningarna i modern fysik är identifieringen av neutrino -massordningen. Fysiker från Cluster of Excellence PRISMA+ vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) spelar en ledande roll i en ny studie som indikerar att pusslet om neutrino massordering äntligen kan lösas under de närmaste åren. Detta kommer att vara tack vare den kombinerade prestandan för två nya neutrino -experiment som är på gång - uppgraderingen av IceCube -experimentet på Sydpolen och Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) i Kina. De kommer snart att ge fysikerna tillgång till mycket mer känslig och kompletterande data om neutrino -massordningen.

Neutrinos är kameleonerna bland elementära partiklar

Neutrinos produceras av naturliga källor - i solens inre eller andra astronomiska föremål, till exempel - men också i stora mängder från kärnkraftverk. Dock, de kan passera genom normal materia - som människokroppen - praktiskt taget obehindrat utan att lämna ett spår av deras närvaro. Detta innebär att extremt komplexa metoder som kräver användning av massiva detektorer behövs för att observera enstaka sällsynta reaktioner i vilka dessa "spökpartiklar" är involverade.

Neutrinoer finns i tre olika typer:elektron, muon och tau neutrinos. De kan byta från en typ till en annan, ett fenomen som forskare kallar "neutrinooscillation". Det är möjligt att bestämma massan av partiklarna från observationer av oscillationsmönstren. I flera år nu, fysiker har försökt fastställa vilken av de tre neutrinoerna som är den lättaste och vilken som är den tyngsta. Prof. Michael Wurm, en fysiker vid PRISMA+ Cluster of Excellence och Institute of Physics vid JGU, som spelar en viktig roll i upprättandet av JUNO -experimentet i Kina, förklarar:"Vi tror att svaret på den här frågan kommer att bidra väsentligt till att vi kan samla långsiktig data om kränkningen av materia-antimateriesymmetri i neutrinosektorn. Sedan, använder denna data, vi hoppas få reda på en gång för alla varför materia och anti-matter inte helt förstörde varandra efter Big Bang. "

Globalt samarbete lönar sig

Båda storskaliga experiment använder mycket olika och kompletterande metoder för att lösa pusslet om neutrino-massordningen. "Ett uppenbart tillvägagångssätt är att kombinera de förväntade resultaten från båda experimenten, "påpekar professor Sebastian Böser, även från PRISMA+ Cluster of Excellence och Institute of Physics vid JGU, som forskar om neutrinoer och är en stor bidragsgivare till IceCube -experimentet.

Inte tidigare sagt än gjort. I det aktuella numret av tidningen Fysisk granskning D , forskare från IceCube och JUNO -samarbetet har publicerat en kombinerad analys av sina experiment. För detta, författarna simulerade de förutsagda experimentella data som en funktion av mättiden för varje experiment. Resultaten varierar beroende på om neutrinomassorna är i normal eller omvänd (inverterad) ordning. Nästa, fysikerna utförde ett statistiskt test, där de använde en kombinerad analys på de simulerade resultaten från båda experimenten. Detta avslöjade graden av känslighet med vilken båda experimenten kombinerade kunde förutsäga rätt ordning, eller snarare utesluta fel ordning. Eftersom de observerade oscillationsmönstren i JUNO och IceCube beror på den faktiska neutrino -massordningen på ett sätt som är specifikt för varje experiment, det kombinerade testet har en diskriminerande kraft betydligt högre än de individuella experimentella resultaten. Kombinationen gör det således möjligt att definitivt utesluta felaktig neutrino -massbeställning inom en mätperiod på tre till sju år.

"I detta fall, helheten är verkligen mer än summan av dess delar, "avslutar Sebastian Böser." Här har vi tydliga bevis på effektiviteten av ett komplementärt experimentellt tillvägagångssätt när det gäller att lösa de återstående neutrino -pusslen. "" Inget experiment kunde uppnå detta av sig själv, om det är IceCube -uppgraderingen, JUNO eller någon av de andra som körs för närvarande, "tillägger Michael Wurm." Dessutom visar det bara vad neutrinofysiker här i Mainz kan åstadkomma genom att arbeta tillsammans. "