Ett internationellt team som spårar "nya fysik"-neutrinos har kontrollerat data från alla relevanta experiment som är associerade med neutrinodetektioner mot standardmodellutvidgningar som föreslagits av teoretiker. Den senaste analysen, den första med så omfattande täckning, visar omfattningen av utmaningar som högerhänta neutrinosökare står inför, men ger också en gnista av hopp.

I alla processer som involverar neutriner som har observerats, dessa partiklar uppvisar en egenskap som av fysiker kallas vänsterhänthet. Högerhänta neutrinos, som är den mest naturliga förlängningen av standardmodellen, finns ingenstans att se. Varför? Det senaste, extremt omfattande analys utförd av en internationell grupp av fysiker, inklusive Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow hjälper till att besvara denna fråga. För första gången, data från alla relevanta experiment, direkt och indirekt tillägnad neutrino-detektering, inkluderades och kontrollerades mot intervallen av parametrar som ålagts av olika teoretiska utökningar av standardmodellen.

Den första subatomära partikeln, elektronen, observerades för mer än 120 år sedan. Sedan dess, fysiker har upptäckt en hel uppsjö av dem. Riken hos naturens byggstenar förklaras med antagandet att världen består av massiva kvarkar, förekommer i sex smaker, och mycket mindre massiva leptoner, även i sex smaker. Leptoner inkluderar elektronen, myonen (väger 207 gånger elektronens massa), tau (3477 gånger massan av en elektron) och motsvarande tre typer av neutriner.

Neutrinos interagerar extremt dåligt med resten av materien. De visar också andra drag av särskild betydelse för formen av modern fysik. Det har nyligen upptäckts att dessa partiklar oscillerar, d.v.s. de förvandlas hela tiden från en typ till en annan. Detta fenomen innebär att de observerade neutrinerna måste ha en viss (men mycket låg) massa. Under tiden, standardmodellen, ett modernt teoretiskt verktyg som beskriver subatomära partiklar med stor noggrannhet, lämnar inget alternativ:inom dess ram kan neutriner inte ha någon massa! Denna motsättning mellan teori och erfarenhet är en av de starkaste indikationerna till förmån för existensen av okända subatomära partiklar. Massan av neutriner, dock, är inte deras enda förbryllande egenskap.

"Vi lär oss om närvaron av neutriner genom att observera sönderfallsprodukterna från olika partiklar och jämföra vad vi har registrerat med vad teorin förutspår. Det visar sig att i alla fall, vilket indikerar närvaron av neutriner, dessa partiklar hade alltid samma helicitet:1/2, dvs de var vänsterhänta. Detta är intressant eftersom andra partiklar av materia kan ha både positiva och negativa spinn. Men det finns inga högerhänta neutrinos att se! Om de inte finns, varför inte då? Och om de gör det, var gömmer de sig?" frågar Dr Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

En artikel just publicerad i European Physical Journal C av ett internationellt team av fysiker för oss närmare svaret på ovanstående frågor. Forskare från IFJ PAN, Europeiska organisationen för kärnforskning – CERN, Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgien), Monash University (Melbourne, Australien), Technische Universität München (Tyskland) och University of Amsterdam (Nederländerna) utförde den mest exakta analysen hittills av data som samlats in i över ett dussin av de mest sofistikerade experimenten inom subatomär fysik, både de av allmän karaktär och de som är direkt dedikerade till att observera neutriner (inklusive PIENU, PS-191, CHARM, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS).

Forskarna begränsade sig inte till att bara öka antalet experiment och mängden data som bearbetades. I sin analys, de övervägde möjligheten av hypotetiska processer som föreslagits av teoretiker som kräver närvaron av högerhänta neutrinos. En av dem var gungbrädans mekanism förknippad med Majorana neutrinos.

1937, Ettore Majorana postulerade existensen av en partikel av materia som är dess egen antipartikel. En sådan partikel kunde inte ha en elektrisk laddning. Eftersom alla partiklar av materia bär elektrisk laddning, förutom neutrinos, den nya partikeln kan vara en neutrino.

"Teorin antyder att om Majorana neutrinos existerar, det kan också finnas en gungbräda mekanism. Detta skulle innebära att när neutriner med ett helicitetstillstånd inte är särskilt massiva, då måste neutriner med motsatt helicitet ha mycket stora massor. Så, om våra neutriner som är vänsterhänta har mycket låg massa, om de skulle vara Majorana neutrinos, i den högerhänta versionen skulle de behöva vara massiva. Detta skulle förklara varför vi inte har sett dem ännu, " säger Dr Chrzaszcz, och tillägger att massiva högerhänta neutrinos är en av kandidaterna för mörk materia.

Den senaste analysen, utförs med det specialiserade GAMBIT-paketet med öppen källkod, tog hänsyn till alla för närvarande tillgängliga experimentella data och parameterintervall som tillhandahålls av olika teoretiska mekanismer. Numeriskt var det extremt betungande. Själva gungbrädans mekanism innebar att beräkningarna var tvungna att använda flyttal som inte var dubbla, men med fyrdubbel precision. I sista hand, volymen data nådde 60 TB. Analysen måste utföras i det snabbaste polska datorklustret Prometheus, förvaltas av Academic Computer Center Cyfronet vid AGH University of Science and Technology.

Resultaten av analysen, finansieras på den polska sidan från anslag från Foundation for Polish Science och National Agency for Academic Exchange, inspirera inte till optimism. Det visade sig att trots många experiment och en enorm mängd insamlad data, det möjliga parameterutrymmet penetrerades endast i liten utsträckning.

"Vi kan hitta högerhänta neutriner i experiment som precis ska börja. Men, om vi har otur och högerhänta neutriner gömmer sig i de yttersta fördjupningarna av parameterrymden, vi kan behöva vänta upp till hundra år på att de upptäcks, " säger Dr Chrzaszcz.

Lyckligtvis, det finns också en skugga av hopp. Ett spår av en potentiell signal fångades i data som kunde associeras med högerhänta neutriner. I detta skede är det mycket svagt och i slutändan kan det visa sig bara vara en statistisk fluktuation. Men vad skulle hända om det inte var det?

"I detta fall, allt tyder på att det redan skulle vara möjligt att observera högerhänta neutrinos i efterföljaren till LHC, Future Circular Collider. Dock, FCC har en viss nackdel:den skulle börja fungera cirka 20 år efter dess godkännande, vilket i bästa fall kan ske först nästa år. Om det inte gör det, vi måste beväpna oss med ett stort mått av tålamod innan vi ser högerhänta neutrinos, " avslutar Dr Chrzaszcz.