Neutrinos, die durch den Erdkern gelangen, zeigen keine Sterilität

In der Physik tauchen regelmäßig verführerische Anspielungen auf die Existenz steriler (inerter) Neutrinos auf - der theoretische vierte Neutrino-Typ, der sich von den anderen drei vom Standardmodell vorhergesagten unterscheidet. Forscher versuchen es mit dem Neutrino-Observatorium IceCube (Ice Cube) zu finden. Dies ist ein leistungsstarker Neutrino-Detektor in der Antarktis, der Neutrinos aus dem Weltraum erkennen kann . Könnte es passieren, dass wir dieses Teilchen entdecken und in eine neue aufregende Ära der Physik stürzen?

Nein. Nach den Anfang August 2016 veröffentlichten Ergebnissen hat die Suche auf IceCube zu nichts geführt. Das Fehlen von Nachweisen bedeutet nicht, dass keine sterilen Neutrinos existieren, sondern legt ihnen die strengsten Beschränkungen auf, wodurch der Bereich möglicher Energien stark eingeschränkt und die Richtung zukünftiger Suchen bestimmt wird.

Wenn sterile Neutrinos gefunden würden, würden sie die Anomalien in alten Studien erklären, neue Physik außerhalb des Standardmodells entdecken und Hinweise auf Geheimnisse wie die Natur der Dunklen Materie und das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum liefern. „Wenn Sie ein viertes Neutrino hinzufügen, ändert sich alles“, sagt Francis Halzen, Projektmanager und Co-Autor von IceCube.

Phantompräsenz

Um die Natur von Neutrinos zu spüren, müssen Sie sich nur vorstellen, dass während des Lesens dieses Satzes mindestens 100 Billionen Neutrinos durch Ihren Körper gingen. Sie passieren Feststoffe ohne Widerstand, da sie nicht durch elektromagnetische Kräfte interagieren. Elektromagnetische Kräfte verbinden unter anderem die Atome Ihres Körpers und verhindern, dass Sie durch den Boden fallen.

Einer der Gründe für die Möglichkeit, Neutrinos nachzuweisen, besteht darin, dass sie schwachen nuklearen Wechselwirkungen unterliegen. Solche Wechselwirkungen treten sehr selten auf: Ein Neutrino kollidiert mit einem Atom, wenn es durch Materie geht, was zu einem Blitz führt. Dies wird auch von modernen Neutrino-Detektoren, einschließlich IceCube, beobachtet.

Sterile Neutrinos wären noch gespenstischer als gewöhnliche Neutrinos, da sie nicht einmal eine schwache Wechselwirkung erfahren, so dass es unmöglich ist, sie auf diese Weise zu erkennen. Sie haben Masse, also interagieren sie durch die Schwerkraft, aber ein Detektor kann nicht nach diesem Prinzip aufgebaut werden. Sterile Neutrinos können momentan durch Ihren Körper fliegen, aber es gibt keine Möglichkeit, dies zu wissen. Zumindest direkt.

Wen man um Hilfe ruft

Dies bedeutet nicht, dass wir zur ewigen Unwissenheit verurteilt sind. Neutrinos schwingen ständig und verändern ihre „Aromen“ - sie wechseln zwischen den Zuständen von Elektronenneutrinos, Myonenneutrinos und Tau-Neutrinos. Sterile Neutrinos können sich in gewöhnliche Neutrinos verwandeln, wodurch ihre Anwesenheit nachgewiesen werden kann.

Neutrinos, die durch sehr dichte Materie wie den Erdkern gelangen, interagieren häufig mit Materie. Aus diesem Grund ändert sich ihr Schwingungsmuster und sie geraten in Resonanz, was die Wahrscheinlichkeit ihrer Umwandlung in sterile Neutrinos erhöht. Daher suchen Forscher nach Neutrinos, die in einem Winkel kommen, der ihren Durchgang durch den Erdkern anzeigt und weiter in den Detektor gelangt. Solche Neutrinos treten aufgrund kosmischer Strahlung in der Atmosphäre über der Nordhalbkugel auf, passieren dann den Planeten und fallen in den IceCube.

"Oszillationen mischen alle vier Geschmacksrichtungen mit sterilen Neutrinos und alle anderen Geschmacksrichtungen. Wenn Sie also mit einer davon spielen, wirkt sich dies auf alle anderen aus", sagt Halzen.

Sterile, die steril geworden sind, verschwinden schließlich - sie erscheinen nicht auf dem Detektor. Wenn mehrere Neutrinos, die durch den Kern gehen, zu sterilen werden, sinkt die Energie der ankommenden Myonenneutrinos genau an der Stelle, die der Masse der sterilen Neutrinos entspricht.

Glücklicherweise fällt diese Energie - in der Größenordnung von 1 TeV - leicht in die Empfindlichkeit des IceCube und deckt Energien von 10 GeV bis 10 PeV ab. Wenn in dieser Energielücke sterile Neutrinos vorhanden wären, hätte IceCube sie entdeckt.

Die Suche umfasst Daten aus zwei Jahren, in denen alle sechs Minuten Neutrinos erfasst werden, die sich in die richtige Richtung bewegen. Die Daten wurden von zwei unabhängigen Gruppen analysiert, die zu dem gleichen Ergebnis kamen: In Myon-Neutrinos wurde kein Energieeinbruch festgestellt, was auf das Vorhandensein steriler Gruppen hinweisen würde.

Rätsel und Möglichkeiten

Zuerst glaubte man, dass Neutrinos keine Masse haben und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dies wird vom Standardmodell vorhergesagt. Nach 30 Jahren Unsicherheit wurden Neutrinoschwingungen entdeckt. Für masselose Teilchen wären sie unmöglich, also haben sie Masse.

„Bisher ist dies das einzige Anzeichen dafür, dass das Standardmodell nicht vollständig ist“, sagt Halzen. - Es muss Physik außerhalb des Standardmodells geben. Insbesondere muss sich die neue Physik in einem Neutrino verstecken und wird dazu beitragen, die größten Geheimnisse unserer Zeit zu erklären. “

Diese Rätsel, insbesondere die Existenz dunkler Materie und das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum, sind Teil der Motivation für Physiker, die außerhalb des Standardmodells suchen. Obwohl das Standardmodell überraschend erfolgreich ist, konnte es große Teile des Universums nicht abdecken. "Sterile Neutrinos könnten ein Weg sein, diese Aufgaben zu verstehen", sagt Halzen.

Der Large Hadron Collider wird auch zur Suche nach Pfaden außerhalb des Standardmodells verwendet und konnte kürzlich auch keine Spuren eines neuen Partikels erkennen, das im letzten Jahr so vielversprechend aussah . „Die Neutrino- und LHC-Experten greifen gleichzeitig das Standardmodell auf der Suche nach neuen Zweigen der Physik an“, sagt Halzen.

Weg nach vorne

Wenn sterile Neutrinos nicht nachgewiesen werden, wird ihre Existenz nicht aufgehoben, aber jedes Mal, wenn die Suche sie nicht findet, nimmt der Glaube an ihre Existenz ab. "Die Menschen sehen überall Hinweise auf die Existenz steriler Neutrinos als Hinweise darauf, dass Elvis lebt", sagt Halzen. "Es gibt eine Reihe von Hinweisen und Theoretiker sind von ihrer Existenz überzeugt."

Dank dieser wertvollen Belohnungen sind die Forscher noch nicht bereit aufzugeben. "In Ermangelung von Entdeckungen suchen wir trotzdem weiter und natürlich untersucht IceCube Neutrinos in einem großen Dynamikbereich. Wir werden weiterhin alle diese Neutrinos bei allen Energien untersuchen, in der Hoffnung, dass das Standardmodell irgendwo nachlässt und wir beginnen, neue Physik zu finden." - sagt Haltsen im Video.

Darüber hinaus haben Forscher gezeigt, dass IceCube für eine Reihe von Arbeiten verwendet werden kann, die über die Suche nach Weltraumneutrinos hinausgehen.

„Dieses Ergebnis unterstreicht die Vielseitigkeit des Neutrino-Observatoriums“, sagt Olga Botner, Sprecherin der IceCube-Kollaboration und weitere Autorin. "Dies ist nicht nur ein Instrument zur Untersuchung des intensiven Universums, sondern auch eine Gelegenheit, die Eigenschaften von Neutrinos selbst zu untersuchen."

Source: https://habr.com/ru/post/de396889/