Daya Bay Reactor Neutrino Experiment -samarbetet - som gjorde en exakt mätning av en viktig neutrinoegenskap för åtta år sedan, att sätta scenen för en ny omgång experiment och upptäckter om dessa svårstudierade partiklar-har tagit data. Även om experimentet formellt stängs av, samarbetet kommer att fortsätta att analysera sin kompletta dataset för att förbättra precisionen i fynd baserade på tidigare mätningar.

Experimentet samlade in tillräckligt med data inom de första 55 dagarna för att meddela en viktig upptäckt i början av mars 2012. För att fira denna framgång och andra som följde, Daya Bay-samarbetet och vetenskapliga myndigheter kommer att delta i en ceremoni den 12 december, för att markera slutet av verksamheten på platsen (se händelseinformation nedan).

Internationellt partnerskap möjliggör experimentets framgångar

Fungerar i ett grottigt underjordiskt utrymme som innehåller en serie stora, trumliknande partikeldetektorer nedsänkta i stora vattenpölar i Guangdong, Kina, experimentet byggdes genom en internationell insats som innehöll ett första i sitt slag lika partnerskap i ett stort fysikprojekt mellan USA och Kina. Det Beijing-baserade Institute of High Energy Physics (IHEP) från Chinese Academy of Sciences leder Kinas roll i samarbetet, medan U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Brookhaven National Laboratory (Brookhaven Lab) leder USA:s deltagande.

"Vi är så glada över att se experimentets framgång, som har gjort viktiga vetenskapliga upptäckter, "sa Yi-Fang Wang, en tidigare talesperson för Daya Bay -samarbetet som nu är chef för IHEP. "Samarbetet är verkligen internationellt, och de lärdomar vi fick här är ovärderliga. Vi ser fram emot andra samarbeten i framtiden. "

IHEP övervakade byggandet av försöksplatsen och hälften av Daya Bay -detektorerna, med det amerikanska samarbetet som står för den andra halvan. Det fanns också betydande bidrag från forskare och institutioner i Taiwan och Hong Kong, och i Chile, Tjeckien, och Ryssland.

"Detta har varit ett oerhört framgångsrikt och viktigt experiment, "sa Kam-Biu Luk, USA:s talesman för Daya Bay -experimentet och även en högre forskare vid Berkeley Lab och en professor i fysik vid UC Berkeley. "Precisionsmätningarna och upptäckterna vid Daya Bay möjliggjordes av det enastående samarbetet mellan USA och Kina och alla våra internationella partner."

Daya Bays åtta detektorer är utformade för att fånga upp ljussignaler i de scintillerande vätskor de innehåller. Dessa signaler genereras genom interaktioner med antineutrinos som strömmar från sex reaktorer vid de närliggande kärnkraftverken Daya Bay och Ling Ao.

Kärnreaktorer producerar ett stort antal antineutrinos via kärnklyvningsprocessen, och de gör det på ett exakt kontrollerat sätt, vilket gör reaktorer till ett utmärkt ställe att genomföra neutrino-experiment och samla högprecisionsmätningar.

Antineutrinos är neutrinos antipartiklar - rikliga subatomära partiklar som passerar genom den mesta materia oavbrutet, så de är svåra att upptäcka. Under de senaste sju decennierna har forskare har gjort stora framsteg när det gäller att designa detektorer för att upptäcka de undvikande signalerna från dessa "spökliknande" partiklar.

"Daya Bay -detektorerna fungerar anmärkningsvärt bra, överträffar våra förväntningar, "sade Daya Bay USA:s chefsforskare Steve Kettell från Brookhaven Lab." Denna framgång är central för vår upptäckt. "

På jakt efter theta 13

Beläget i tre underjordiska hallar inom en mil från de sex reaktorerna, experimentet med Daya Bay var utformat för att mäta en egenskap relaterad till partiklarnas transformationer, eller svängningar, mellan tre olika typer, känd som "smaker":elektron, muon, och tau. Daya Bay var det första experimentet som lyckades mäta, med säkerhet, en "blandningsvinkel" som kallas theta 13. Denna blandningsvinkel definierar den hastighet med vilken neutrinoer omvandlas till de tre smakerna. Sedan den första mätningen 2012 har precisionen i Daya Bays theta 13 -mätning har förbättrats sex gånger.

För att bestämma theta 13, forskare mätte hur många neutrinoer med en specifik smak - i detta fall elektronantineutrinos - producerades av de närliggande reaktorerna. Från det antalet kunde de avgöra hur många elektronantineutrinos de skulle förvänta sig att mäta med hjälp av Daya Bays stora detektorer. Sedan, de jämförde uppskattningen med den faktiska, uppmätt antal.

Theta 13 -mätningen, och två andra blandningsvinklar mätt med tidigare experiment, hjälpa oss att förstå den roll neutrinoer spelade i utvecklingen av vårt universum. Om forskare observerar en skillnad i vissa egenskaper hos neutrinoer mot antineutrinos, det kan hjälpa vår förståelse av överskottet av materia kontra antimateria i universum.

Daya Bay -forskare gör nu en analys av data från experimentets hela nio års verksamhet. Denna analys möjliggör förbättrade mätningar av neutrinoegenskaper, inklusive en ny precision på theta 13 som sannolikt inte kommer att överträffas i årtionden framöver.

Oväntad bonus

"Den vetenskapliga produktiviteten i Daya Bay har gått långt bortom vår fantasi, "sade Daya Bay-talesperson Jun Cao, av IHEP. "Förutom att fästa värdet på theta 13, en överraskande egenskap dykt upp i det uppmätta reaktorantineutrinospektrumet med Daya Bays högkvalitativa data. "

Ett lokalt överskott av antineutrinos - cirka 10% över teoretiska förväntningar vid en energi på cirka 5 miljoner elektronvolt (5 MeV) - visar sig tydligt, långt bortom osäkerheterna. Ursprunget till denna avvikelse är fortfarande oklart och kräver ytterligare studier.

Under tiden, fastställande av antineutrinoutbytet från Daya Bay-experimentet fann också en trolig misstänkt för att förklara en så kallad "reaktor-antineutrino-anomali"-mätningar av färre antineutrinos än vad som hade förväntats på platserna för många olika kärnreaktorer. Medan en möjlighet för denna avvikelse var att vissa antineutrinoer hade förvandlats till en hypotetiserad fjärde typ av neutrino som kallas en steril neutrino, Daya Bay -forskare fann att det mest troligtvis berodde på ofullständig modellering av den förutspådda produktionen av antineutrino för en komponent av kärnreaktorbränslet.

Dessutom, team av forskare från två stora experiment som studerar neutrinooscillationer - Daya Bay -experimentet och MINOS+ -experimentet vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) - gick samman för att ta fram en annan analys som till stor del utesluter alla möjligheter till sterila neutrinoer i deras data.

Mätningarnas konsekvenser

"Blandningsvinkeln theta 13, som många forskare misstänkte skulle vara noll, lyckligtvis befanns vara mycket större än vi förväntade oss när vi planerade experimentet, "Luk sa, som gjorde det möjligt för forskare att extrahera oscillationsfrekvensen exakt och bekräfta teorin om neutrinooscillation. Detta lovar gott för andra aktiva och framtida neutrinoexperiment som kommer att försöka mäta ordningen av massorna av de olika neutrinoerna, till exempel.

Det kan också gynna experiment som undersöker neutrinos möjliga relevans för universums obalans mellan materia-antimateria. Fysiker tror att neutrinoer kan ha spelat en roll i denna obalans genom att bryta mot en grundläggande fysiklag som kallas laddningsparitet (CP). Denna kränkning innebär att en partikel och dess antipartikel beter sig annorlunda.

Daya Bays theta 13-mätning är den mest exakta mätningen hittills bland de tre blandningsvinkelmätningarna relaterade till neutrinooscillationer. Daya Bay -samarbetet erkändes för framgången med att exakt mäta theta 13 med tilldelningen av det prestigefyllda genombrottspriset 2016 i grundläggande fysik.

"Nu när vi vet att theta 13 inte är noll, vi har utvecklat nya sätt att studera neutrino -massordningen. Det låter oss också söka efter CP -överträdelse i nuvarande och framtida experiment, "Sa Kettell.

Befintliga experiment med neutrinooscillation, såsom T2K i Japan och NOvA på Fermilab, dra nytta av denna mätning, han noterade, liksom Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), ett nästa generations experiment som snart kommer att börja ta data i Kina, projektet Long Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF/DUNE) under uppbyggnad på Fermilab, och det kommande Hyper-Kamiokande-experimentet i Japan.