Under nästan nio år fångade Daya Bay Reactor Neutrino Experiment en aldrig tidigare skådad fem och en halv miljoner interaktioner från subatomära partiklar som kallas neutrinos. Nu har det internationella teamet av fysiker från Daya Bay-samarbetet rapporterat det första resultatet från experimentets fullständiga datauppsättning – den mest exakta mätningen hittills av theta13, en nyckelparameter för att förstå hur neutriner ändrar sin "smak". Resultatet, som tillkännagavs idag vid Neutrino 2022-konferensen i Seoul, Sydkorea, kommer att hjälpa fysiker att utforska några av de största mysterierna kring materiens och universums natur.

Neutrinos är subatomära partiklar som är både berömda svårfångade och oerhört rikliga. De bombarderar oändligt varje tum av jordens yta med nästan ljusets hastighet, men interagerar sällan med materia. De kan färdas genom ett ljusårsvärde av bly utan att någonsin störa en enda atom.

En av de definierande egenskaperna hos dessa spökliknande partiklar är deras förmåga att pendla mellan tre distinkta "smaker":myonneutrino, tau-neutrino och elektronneutrino. Daya Bay Reactor Neutrino Experiment utformades för att undersöka egenskaperna som dikterar sannolikheten för dessa svängningar, eller vad som kallas blandningsvinklar och massdelningar.

Endast en av de tre blandningsvinklarna förblev okänd när Daya Bay designades 2007:theta13. Så, Daya Bay byggdes för att mäta theta13* med högre känslighet än något annat experiment.

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, som är verksamt i Guangdong, Kina, består av stora, cylindriska partikeldetektorer nedsänkta i vattenpölar i tre underjordiska grottor. De åtta detektorerna fångar upp ljussignaler som genereras av antineutrinos som strömmar från närliggande kärnkraftverk. Antineutrinos är antipartiklar av neutrinos, och de produceras i överflöd av kärnreaktorer. Daya Bay byggdes genom en internationell ansträngning och ett första partnerskap i sitt slag för ett stort fysikprojekt mellan Kina och USA. Beijing-baserade Institute of High Energy Physics (IHEP) vid den kinesiska vetenskapsakademin leder Kinas roll i samarbetet, medan det amerikanska energidepartementets (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory och Brookhaven National Laboratory leder USA:s deltagande.

För att bestämma värdet av theta13, upptäckte Daya Bay-forskare neutriner med en specifik smak - i det här fallet elektronantineutriner - i var och en av de underjordiska grottor. Två grottor är nära kärnreaktorerna och den tredje grottan är längre bort, vilket ger gott om avstånd för antineutrinerna att svänga. Genom att jämföra antalet elektronantineutriner som fångas upp av när- och fjärrdetektorerna, beräknade fysiker hur många ändrade smaker och, följaktligen, värdet av theta13.

Daya Bay-fysiker gjorde världens första avgörande mätning av theta13 2012 och förbättrade därefter mätningens precision när experimentet fortsatte att ta data. Nu, efter nio års drift och slutet av datainsamlingen i december 2020, utmärkt detektorprestanda och dedikerad dataanalys, har Daya Bay vida överträffat förväntningarna. Genom att arbeta med hela datasetet har fysiker nu mätt värdet av theta13 med en precision som är två och en halv gånger större än experimentets designmål. Inget annat existerande eller planerat experiment förväntas nå en sådan utsökt precisionsnivå.

"Vi hade flera analysteam som noggrant granskade hela datamängden, noggrant med hänsyn till utvecklingen av detektorprestanda under de nio åren av drift", säger Daya Bays medtalesman Jun Cao på IHEP. "Teamen utnyttjade den stora datamängden inte bara för att förfina urvalet av antineutrino-händelser utan också för att förbättra bestämningen av bakgrunder. Denna dedikerade ansträngning gjorde det möjligt för oss att nå en oöverträffad precisionsnivå."

Precisionsmätningen av theta13 kommer att göra det möjligt för fysiker att lättare mäta andra parametrar inom neutrinofysik, samt utveckla mer exakta modeller av subatomära partiklar och hur de interagerar.

Genom att undersöka antineutrinos egenskaper och interaktioner kan fysiker få insikt i obalansen mellan materia och antimateria i universum. Fysiker tror att materia och antimateria skapades i lika stora mängder vid tiden för Big Bang. Men om så vore fallet, borde dessa två motsatser ha utplånats och bara lämnat ljus efter sig. En viss skillnad mellan de två måste ha tippat balansen för att förklara övervikten av materia (och bristen på antimateria) i universum idag.

"Vi förväntar oss att det kan finnas en viss skillnad mellan neutrinos och antineutrinos", säger Berkeley-fysikern och Daya Bays medtalesman Kam-Biu Luk. "Vi har aldrig upptäckt skillnader mellan partiklar och antipartiklar för leptoner, den typ av partiklar som inkluderar neutriner. Vi har bara upptäckt skillnader mellan partiklar och antipartiklar för kvarkar. Men skillnaderna vi ser med kvarkar räcker inte för att förklara varför det finns mer materia än antimateria i universum. Det är möjligt att neutrinos kan vara den rykande pistolen."

Den senaste analysen av Daya Bays slutliga datauppsättning gav fysiker också en exakt mätning av massdelningen. Denna egenskap dikterar frekvensen av neutrinoscillationer.

"Mätningen av massdelning var inte ett av Daya Bays ursprungliga designmål, men det blev tillgängligt tack vare det relativt stora värdet av theta13," sa Luk. "Vi mätte massdelningen till 2,3 % med den slutliga Daya Bay-datauppsättningen, en förbättring jämfört med 2,8 % precision från föregående Daya Bay-mätning."

Framöver förväntar sig det internationella Daya Bay-samarbetet att rapportera ytterligare resultat från den slutliga datamängden, inklusive uppdateringar av tidigare mätningar.

Nästa generations neutrinoexperiment, såsom Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), kommer att utnyttja resultaten från Daya Bay för att exakt mäta och jämföra egenskaper hos neutriner och antineutriner. För närvarande under uppbyggnad kommer DUNE att förse fysiker med världens mest intensiva neutrinostråle, underjordiska detektorer åtskilda med 800 miles och möjligheten att studera neutrinos beteende som aldrig förr.

"Som ett av många fysikmål förväntar DUNE att så småningom mäta theta13 nästan lika exakt som Daya Bay", säger Brookhaven experimentell fysiker och Daya Bay-samarbetspartner Elizabeth Worcester. "Detta är spännande eftersom vi då kommer att ha exakta theta13-mätningar från olika oscillationskanaler, som noggrant kommer att testa tre-neutrinomodellen. Tills DUNE når den höga precisionen kan vi använda Daya Bays exakta theta13-mätning som en begränsning för att möjliggöra sökningen efter skillnader mellan neutrino- och antineutrinoegenskaper."

Forskare kommer också att utnyttja de stora theta13-värdet och reaktorneutrinerna för att avgöra vilken av de tre neutrinerna som är lättast. "Den exakta theta13-mätningen av Daya Bay förbättrar massbeställningskänsligheten för Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), som kommer att slutföra bygget i Kina nästa år", säger Yifang Wang, JUNO-talesperson och IHEP-chef. "Dessutom kommer JUNO att uppnå sub-procentig precision på massdelningen uppmätt av Daya Bay om flera år." + Utforska vidare

Forskare säger farväl till Daya Bay-webbplatsen, fortsätt med slutlig dataanalys