Gefundene Beweise für die Existenz eines neuen fundamentalen Teilchens

Ein Experiment im nationalen Beschleunigerlabor. Enrico Fermi (Fermilab) in der Nähe von Chicago entdeckte viel mehr Elektronenneutrinos als vorhergesagt. Dieses Ereignis könnte zum Botenstoff eines völlig neuen Elementarteilchens, eines sterilen Neutrinos , werden, obwohl viele Physiker skeptisch bleiben.

Im MiniBooNE- Tank nehmen Fotozellen das Licht auf, das entsteht, wenn Neutrinos mit Atomkernen interagieren

Die Physiker sind überrascht und schockiert über den neuen Bericht aus dem Fermilab- Neutrino- Experiment. Das MiniBooNE- Experiment fand viel mehr Neutrinos eines bestimmten Typs als erwartet - und der einfachste Weg, dieses Phänomen zu erklären, ist die Existenz eines neuen Elementarteilchens: eines sterilen Neutrinos, eines noch geheimnisvolleren und seltsameren Teilchens als die drei bekannten Arten von Neutrinos. Das Ergebnis bestätigt anscheinend die anomalen Ergebnisse des alten Experiments, um zu bestätigen, welches MiniBooNE gebaut wurde.

Das Fortbestehen der Neutrinoanomalie ist für Physiker sehr erfreulich, sagte Scott Dodelson von der Carnegie Mallon University. Dies "sagt, dass etwas wirklich Interessantes passiert ", fügte Anzee Slozar vom Brookhaven National Laboratory hinzu.

Aber was genau kann niemand sagen.

"Ich war sehr interessiert an dem Ergebnis, aber ich bin nicht bereit," Eureka! "Zu rufen, sagte Janet Conrad , Spezialistin für Neutrinophysik am MIT und Mitglied der MiniBooNE-Zusammenarbeit.

Die Existenz steriler Neutrinos würde die Physik auf allen Ebenen revolutionieren. Es würde schließlich gegen das Standardmodell der Teilchenphysik verstoßen, das seit den 1970er Jahren Bestand hat. Es würde auch ein "neues Standardmodell der Kosmologie" erfordern, sagte Dodelson. "Es gibt andere Risse im Standardbild der Welt", fügte er hinzu. "Das Neutrino-Paradoxon könnte uns den Weg zu einem neuen, verbesserten Modell ebnen."

Neutrinos sind winzige Partikel, und Milliarden von ihnen passieren jede Sekunde unseren Körper, interagieren aber selten irgendwie mit ihnen. Sie schwanken ständig zwischen drei „Sorten“ - Elektronik, Myon und Tau. In einem MiniBooNE-Experiment feuert ein Myon-Neutrino-Strahl in Richtung eines riesigen Erdölbehälters. Auf dem Weg zum Tank müssen einige der Myonenneutrinos mit einer Geschwindigkeit, die durch ihre Massendifferenz bestimmt wird, in elektronische umgewandelt werden. MiniBooNE verfolgt dann die Ankunft von Elektronenneutrinos, die in den seltenen Fällen, in denen sie mit Ölmolekülen interagieren, charakteristische Strahlungsstöße erzeugen. In den 15 Betriebsjahren hat MiniBooNE mehrere hundert Elektronenneutrinos mehr als erwartet registriert.

Die einfachste Erklärung für diese unerwartet große Menge wäre, dass einige Myonenneutrinos zu einem anderen, schwereren Neutrino schwingen, einer sterilen Sorte, die mit nichts anderem als Neutrinos interagiert, und dass einige dieser schweren sterilen Neutrinos dann zu Elektronen schwingen. Ein großer Massendifferenz führt zu mehr Schwingungen und mehr Detektionen.


Der MiniBooNE-Tank hat einen Durchmesser von 12 m und ist mit 1520 Fotozellen ausgekleidet

Ein flüssiger Neutrino-Szintillationszähler (LSND) in Los Alamos entdeckte in den 1990er Jahren eine ähnliche Anomalie, die den Bau des MiniBooNE erforderte. In anderen Experimenten mit Neutrinos, die nach anderen Prinzipien als LSND und MiniBooNE arbeiten, konnten jedoch keine eindeutigen Anzeichen für das Vorhandensein der angeblich sterilen Neutrinos gefunden werden. "Dies ist der Fluch unserer Arbeit - einige Experimente sehen etwas, andere sehen es nicht", sagte Werner Rodeyokhan vom Max-Planck-Institut für Kernphysik.

Wenn sterile Neutrinos die Erklärung für die neuen Ergebnisse sind, können die Physiker immer noch nicht herausfinden, wie sie die Eigenschaften dieser neuen Teilchen mit allem anderen kombinieren können, was wir wissen. Die vielleicht unangenehmste Tatsache ist, dass es zu dieser Zeit nur drei Arten von Neutrinos gab, wenn man das Licht beobachtet, das aus dem frühen Universum zu uns kommt. Um die Bedeutung der Ergebnisse von LSND, MiniBooNE und anderen Experimenten zu verstehen, "ist eine bestimmte völlig neue theoretische Plattform erforderlich", sagte Slozar.

Darüber hinaus lösen insbesondere diejenigen sterilen Neutrinos, die hypothetisch in die auf dem MiniBooNE erhaltenen Daten passen, keine Rätsel, weshalb Physiker im Allgemeinen damit begannen, Theorien über die Existenz solcher Teilchen aufzustellen. Sterile Neutrinos, die ziemlich schwer sind, könnten die unsichtbare „dunkle Materie“ erklären, die anscheinend Galaxien umhüllt. Sie würden erklären, warum elektronische, Myon- und Tau-Neutrinos mit einem mathematischen Trick, dem Wippmechanismus , so leicht sind. Bei einer Masse von weniger als 1 eV fehlt dem angeblich sterilen Neutrino auf dem MiniBooNE jedoch die Masse für die beschriebenen Zwecke. "Wir hätten keinen Grund, sterile Neutrinos [in Masse] 1 eV zu erwarten", sagte Matthew Buckley , Spezialist für Teilchenphysik an der Rutgers University. "Aber es ist nicht so, dass das Universum es in der Vergangenheit daran gehindert hat, uns neue Partikel hinzuzufügen."

Die Verwirrung führte viele Experten zu Optimismus und zu dem Verdacht, dass MiniBooNE und LSND Opfer eines unbekannten Fehlers wurden. Freya Blackman , Physikerin an der Freien Universität Brüssel, argumentiert, dass Experimente die Geschwindigkeit, mit der neutrale Pfingstrosen in einem MiniBooNE-Öltank zerfallen, systematisch unterschätzen könnten - und diese Ereignisse imitieren Signale von Elektronenneutrinos.

"Es ist klar, dass hier etwas zu klären ist, und ich hoffe, es ist das vierte Neutrino", sagte Neil Weiner , theoretischer Physiker an der New York University. "Angesichts dessen erinnern wir uns, dass dies das erste Teilchen ist, das sich über das Standardmodell hinaus öffnet. Daher ist die Schwelle für den Nachweis seiner Existenz offensichtlich sehr hoch." Im Moment sagte er: "Ich neige zum Ansatz des" Abwartens ".

Eine genauere Antwort wird in zukünftigen Experimenten erscheinen, einschließlich IsoDAR, das von Conrad und vielen ihrer Kollegen vorgeschlagen wurde. Anstatt die Anzahl der Neutrinos einer bestimmten Art am Ende des Strahls zu zählen, wird er sehen, wie Neutrinos während der Reise zwischen verschiedenen Sorten hin und her schwingen, was ein vollständigeres Bild der Schwingungen ergibt. "Ich würde mein Geld noch nicht in dieses Projekt stecken, da dieser Überschuss an Neutrinos nur ein Punkt auf dem Plan ist", sagte Conrad. "Was ist, wenn der Fleck durch etwas anderes verursacht werden könnte?" Um wirklich davon überzeugt zu sein, muss ich diese vorhergesagten Schwankungen mit guter statistischer Signifikanz sehen. "