Steriele neutrino's vervagen omdat STEREO geen bewijs van oscillaties vindt

Gegevens van een experiment in Frankrijk genaamd STEREO suggereren dat steriele neutrino's niet kunnen verklaren waarom de neutrinoflux waargenomen bij uranium-235-splijting lager is dan voorspeld door de theorie. In plaats daarvan gelooft het STEREO-team dat de discrepantie voortkomt uit theoretische problemen bij het modelleren van het vervalproces. Het resultaat markeert het hoogtepunt van een 11-jarig project om een ​​hypothese te testen die voor het eerst naar voren is gebracht door een team van wetenschappers, waaronder twee leden van de STEREO-samenwerking.

De ontdekking in 1998 van neutrino-oscillaties door de Super-Kamiokande-detector in Japan was een van de belangrijkste gebeurtenissen in de deeltjesfysica van de 20e eeuw. Dit komt omdat het aantoonde dat neutrino's een kleine massa moeten hebben die niet gelijk is aan nul. Dientengevolge planten neutrino's zich door de ruimte voort als oscillerende kwantumsuperposities van elektronenneutrino's en hun zwaardere neven - muonneutrino's en tau-neutrino's. Dit verklaarde raadselachtige experimenten die in de jaren zestig werden uitgevoerd, waarbij natuurkundigen die de zon observeerden, significant minder neutrino's hadden gedetecteerd dan voorspeld. Wat er gebeurde, was dat veel van deze zonne-neutrino's waren geoscilleerd tot neutrino-aroma's die de experimenten niet konden detecteren.

In 2011, David Lhuillier bij CEA en collega's in Frankrijk publiceerden een paper waarin werd gesuggereerd dat metingen van de neutrinoflux van kernreactoren collectief een abnormaal lage flux van neutrino's van uranium-235 vertoonden in vergelijking met voorspellingen van theoretische modellen. Bovendien toonden ze aan dat deze anomalie kon worden verklaard doordat de neutrino's oscilleerden tot "steriele" neutrino's die geen interactie zouden hebben via de zwakke kracht en daarom niet zouden worden gedetecteerd. Steriele neutrino's zijn hypothetische deeltjes die worden opgeroepen door enkele theoretische uitbreidingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica, dus het idee dat ze misschien een glimp hadden opgevangen in neutrino-oscillaties was verleidelijk. In 2016 installeerden Lhuillier en collega's de STEREO-detector in de onderzoeksreactor Institut-Laue-Langevin (ILL) in Grenoble - waarbij STEREO staat voor Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations.

Kortere oscillaties

"Vroeger zag iedereen een gemiddeld tekort [in neutrino's]", legt Lhuillier uit, "Het idee was 'OK, misschien kunnen we deze eerste of tweede oscillatie zien als we dichterbij komen'." De hypothetische oscillatiegolflengte was niet bekend, zegt hij, maar "zeker, de oscillatie was al uitgesmeerd na 100 m." De STEREO-detector bestaat uit zes afzonderlijke met gadolinium gedoteerde 1.8 m³ Met koolwaterstof gevulde scintillatoren op minder dan 20 m van de bijna volledig verrijkte uranium-40-kernsplijtingsreactor met een diameter van 235 cm van het ILL, die zich effectief gedraagt ​​als een puntbron van uranium-235-neutrino's.

Wanneer een neutrino een waterstofatoom in een van de vloeistofscintillatoren treft, stimuleert het omgekeerd bèta-verval, waarbij het elektron wordt omgezet in een positron en het proton in een neutron en beide vrijkomen. De vertraging van het positron genereert prompt gammastraling. Vervolgens wordt het neutron waarschijnlijk gevangen door een gadoliniumkern, waardoor het wordt geëxciteerd tot een metastabiele toestand. Wanneer dit vervolgens vervalt, produceert het een tweede, grotere gammastraalpuls: "Dat is het signaal waarnaar we op zoek zijn", zegt Lhuillier; "een kleine puls van het positron en dan, een paar microseconden later, een grote puls van het gadolinium."

Als het geen steriele neutrino is, moet het probleem aan de kant van de voorspelling liggen

David Lhuillier

Met behulp van hun zes sequentiële detectoren bevestigden de onderzoekers dat er inderdaad een tekort was in de neutrinoflux ten opzichte van de theoretisch voorspelde. Dit tekort leek echter constant in alle zes detectoren, dus de onderzoekers concludeerden dat het niet werd verklaard door de neutrino's die in een niet-detecteerbare toestand oscilleerden. "Als het geen steriele neutrino is, moet het probleem aan de kant van de voorspelling liggen", zegt Lhuillier. "Het is heel moeilijk om te voorspellen hoeveel neutrino's een reactor kan uitstoten, omdat je ongeveer 800 manieren hebt om een ​​uraniumkern uit elkaar te halen, dus je hebt een enorme hoeveelheid nucleaire gegevens nodig."

Het STEREO-team beschrijft zijn bevindingen in een paper in NATUUR.

Steriele neutrino's uitgesloten door MicroBooNE, maar mysterieuze overmaat blijft onverklaard

"Mensen keken hier naar uit, dus in die zin is het een nuttig artikel", zegt theoretisch natuurkundige André de Gouvêa van de Northwestern University in Illinois. "Het bevestigt de trend van resultaten die we hebben gekregen die suggereren dat deze neutrino-anomalie in de reactor nauwer verband houdt met onze verkeerde modellering van hoe neutrino's worden geproduceerd in nucleair verval en minder met een opwindend nieuw natuurkundig fenomeen." Hij voegt er echter aan toe: “De titel van het artikel ['STEREO neutrino spectrum of ²³⁵U-splijting verwerpt steriele neutrino-hypothese'] is een beetje optimistisch... Steriele neutrino's worden in principe niet uitgesloten als verklaring voor deze anomalie. Zeer zware steriele neutrino's konden alleen worden uitgesloten door kosmologische beperkingen', zegt hij, eraan toevoegend: 'Er zijn een aantal fascinerende resultaten [daarover] die uit het KATRIN-experiment komen'.

Theoretisch fysicus Patrick Huber van Virginia Tech in de VS voegt eraan toe: "Er is sinds 2011 een antineutrino-anomalie in de reactor, en ik denk dat dit hoofdstuk hiermee is afgesloten". Huber voerde een van de neutrinofluxberekeningen uit die de spanning aantoonden met experimentele observatie en voegt eraan toe: "We weten nu dat de reden voor de discrepantie gebrekkige invoergegevens was, en ik denk dat dit in de toekomst belangrijk is als we nadenken over mogelijke toepassingen van neutrinofysica zoals nucleaire veiligheid. Hun resultaat is het sluitstuk van een gemeenschapsbrede inspanning om te begrijpen waarom de berekeningen van 2011 en de gegevens niet overeenkwamen, en nu wel. Dat is de wetenschappelijke methode die aan het werk is.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/sterile-neutrinos-fade-as-stereo-finds-no-evidence-of-oscillations/