Ditemukan bukti keberadaan partikel fundamental baru

Percobaan di laboratorium akselerator nasional. Enrico Fermi (Fermilab) dekat Chicago menemukan lebih banyak neutrino elektron daripada yang diperkirakan. Peristiwa ini dapat menjadi pembawa pesan partikel elementer yang sama sekali baru, neutrino steril , meskipun banyak fisikawan tetap skeptis.

Dalam tangki MiniBooNE, fotosel mengambil cahaya yang muncul ketika neutrino berinteraksi dengan inti atom

Fisikawan terkejut dan terkejut dengan laporan baru dari percobaan neutrino Fermilab. Eksperimen MiniBooNE menemukan lebih banyak neutrino dari jenis tertentu dari yang diharapkan - dan cara termudah untuk menjelaskan fenomena ini adalah adanya partikel elementer baru: neutrino steril, partikel yang bahkan lebih rahasia dan aneh daripada tiga jenis neutrino yang diketahui. Hasilnya, rupanya, mengkonfirmasi hasil anomali dari eksperimen lama, untuk mengonfirmasi MiniBooNE mana yang dibangun.

Kegigihan anomali neutrino sangat menyenangkan bagi fisikawan, kata Scott Dodelson dari Carnegie Mallon University. "Ini mengatakan sesuatu yang sangat menarik sedang terjadi ," tambah Anzee Slozar dari Brookhaven National Laboratory.

Tapi apa tepatnya, tidak ada yang bisa mengatakan.

"Saya sangat tertarik dengan hasilnya, tetapi saya belum siap untuk berteriak" Eureka! "Kata Janet Conrad , seorang spesialis dalam fisika neutrino di MIT, dan anggota kolaborasi MiniBooNE.

Keberadaan neutrino steril akan merevolusi fisika di semua tingkatan. Itu akhirnya akan melanggar Model Standar Fisika Partikel, yang telah berlangsung sejak tahun 1970-an. Itu juga akan membutuhkan "model kosmologi standar baru," kata Dodelson. "Ada celah lain dalam gambar standar dunia," tambahnya. "Paradoks neutrino dapat membuka jalan bagi kita untuk model baru yang lebih baik."

Neutrino adalah partikel kecil, dan milyarannya melewati tubuh kita setiap detik, tetapi entah bagaimana jarang berinteraksi dengannya. Mereka terus berfluktuasi antara tiga "varietas" - elektronik, muon dan tau. Dalam percobaan MiniBooNE, sinar muon neutrino menyala ke arah tangki raksasa minyak bumi . Dalam perjalanan ke tangki, beberapa muon neutrino harus diubah menjadi yang elektronik dengan kecepatan yang ditentukan oleh perbedaan massa mereka. MiniBooNE kemudian melacak kedatangan neutrino elektron yang menghasilkan semburan radiasi khas dalam kasus-kasus langka ketika mereka berinteraksi dengan molekul minyak. Selama 15 tahun beroperasi, MiniBooNE telah mendaftarkan beberapa ratus neutrino elektron lebih dari yang diharapkan.

Penjelasan paling sederhana untuk jumlah besar yang tak terduga ini adalah bahwa beberapa neutrino muon berosilasi menjadi neutrino yang lebih berat, varietas steril yang tidak berinteraksi dengan apa pun selain neutrino, dan bahwa sebagian neutrino steril yang berat ini kemudian berosilasi menjadi elektron. Perbedaan massa yang besar menyebabkan lebih banyak osilasi dan lebih banyak deteksi.


Tangki MiniBooNE memiliki diameter 12 m dan dilapisi dengan 1.520 fotosel

Penghitung kilau neutrino cair (LSND) di Los Alamos menemukan anomali serupa pada 1990-an, yang mengharuskan pembangunan MiniBooNE. Namun, dalam eksperimen lain dengan neutrino, yang bekerja berdasarkan prinsip lain selain LSND dan MiniBooNE, tidak dapat menemukan tanda-tanda yang jelas tentang keberadaan dugaan neutrino steril. "Ini adalah kutukan dari pekerjaan kami - beberapa eksperimen melihat sesuatu, sementara yang lain tidak melihatnya," kata Werner Rodeyokhan dari Institut Max Planck untuk Fisika Nuklir.

Jika neutrino steril adalah penjelasan untuk hasil baru, maka fisikawan masih tidak bisa mencari cara untuk menggabungkan sifat-sifat partikel baru ini dengan segala sesuatu yang kita tahu. Mungkin fakta yang paling tidak menyenangkan adalah ketika mengamati cahaya yang datang kepada kita dari alam semesta awal, itu berarti bahwa pada waktu itu hanya ada tiga varietas neutrino. Untuk memahami makna hasil LSND, MiniBooNE, dan eksperimen lainnya, "diperlukan platform teoretis yang benar-benar baru," kata Slozar.

Selain itu, khususnya neutrino steril yang secara hipotetis dapat masuk ke dalam data yang diperoleh di MiniBooNE, tidak memecahkan teka-teki, karena itu fisikawan umumnya mulai membangun teori tentang keberadaan partikel tersebut. Neutrino steril, karena cukup berat, dapat menjelaskan "materi gelap" yang tak terlihat, yang, tampaknya, menyelubungi galaksi. Mereka akan menjelaskan mengapa neutrino elektronik, muon, dan tau begitu ringan menggunakan trik matematika yang disebut mekanisme jungkat-jungkit . Tetapi dengan massa kurang dari 1 eV, dugaan neutrino steril pada MiniBooNE tidak memiliki massa untuk tujuan yang dijelaskan. "Kami tidak akan memiliki alasan untuk mengharapkan neutrino steril [dalam massa] 1 eV," kata Matthew Buckley , seorang spesialis dalam fisika partikel dari Universitas Rutgers. "Tapi bukan di masa lalu Semesta menghentikannya untuk menambahkan partikel baru kepada kita."

Kebingungan menyebabkan banyak ahli untuk mengandung optimisme dan mulai curiga bahwa MiniBooNE dan LSND menjadi korban kesalahan yang tidak diketahui. Freya Blackman , seorang fisikawan di Free University of Brussels, berpendapat bahwa percobaan secara sistematis dapat meremehkan tingkat di mana peoni netral meluruh dalam tangki minyak MiniBooNE - dan peristiwa ini meniru sinyal dari neutrino elektron.

"Sudah jelas bahwa ada sesuatu yang harus disortir di sini, dan saya harap ini menjadi neutrino keempat," kata Neil Weiner , seorang ahli fisika teoretis di New York University. "Mengingat ini, kita ingat bahwa ini akan menjadi partikel pertama yang dibuka melampaui Model Standar, sehingga ambang untuk membuktikan keberadaannya jelas sangat tinggi." Untuk saat ini, dia berkata: "Saya cenderung pada pendekatan 'tunggu, lihat.'

Jawaban yang lebih pasti akan muncul dalam percobaan di masa depan, termasuk IsoDAR yang diusulkan oleh Conrad dan banyak rekannya. Alih-alih menghitung jumlah neutrino dari jenis tertentu di ujung balok, ia akan melihat bagaimana neutrino berosilasi ke sana kemari di antara varietas yang berbeda selama perjalanan, yang akan memberikan gambaran yang lebih lengkap tentang osilasi. "Aku belum akan menaruh uangku pada proyek ini, karena kelebihan neutrino ini hanya tepat pada jadwal," kata Conrad. "Bagaimana jika noda itu bisa disebabkan oleh sesuatu yang lain?" Untuk benar-benar yakin akan hal ini, saya perlu melihat fluktuasi yang diprediksi ini dengan signifikansi statistik yang baik. "