Wissenschaftler, die am Short-Baseline Near Detector (SBND) am Fermi National Accelerator Laboratory arbeiten, haben die ersten Neutrino-Wechselwirkungen des Detektors identifiziert.
Die SBND-Kollaboration hat den Detektor fast ein Jahrzehnt lang geplant, Prototypen entwickelt und gebaut. Nach einem mehrmonatigen Prozess, in dem jedes der Detektorsubsysteme sorgfältig eingeschaltet wurde, war der Moment, auf den alle gewartet hatten, endlich gekommen.
„Es kommt nicht jeden Tag vor, dass ein Detektor seine ersten Neutrinos sieht“, sagte David Schmitz, Co-Sprecher der SBND-Zusammenarbeit und außerordentlicher Professor für Physik an der Universität von Chicago. „Wir haben alle jahrelang auf diesen Moment hingearbeitet und diese ersten Daten sind ein sehr vielversprechender Start unserer Suche nach neuer Physik.“
SBND ist das letzte Element, das Fermilabs Short-Baseline Neutrino (SBN)-Programm abschließt und wird eine entscheidende Rolle bei der Lösung eines Jahrzehnte alten Rätsels in der Teilchenphysik spielen. SBND bis zu diesem Punkt zu bringen, war eine internationale Anstrengung. Der Detektor wurde von einer internationalen Zusammenarbeit von 250 Physikern und Ingenieuren aus Brasilien, Spanien, der Schweiz, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten gebaut.
Das Standardmodell ist die beste Theorie für die Funktionsweise des Universums auf seiner grundlegendsten Ebene. Es ist der Goldstandard, den Teilchenphysiker verwenden, um alles zu berechnen, von hochintensiven Teilchenkollisionen in Teilchenbeschleunigern bis hin zu sehr seltenen Zerfällen. Obwohl das Standardmodell eine gut getestete Theorie ist, ist es unvollständig. Und in den letzten 30 Jahren wurden in mehreren Experimenten Anomalien beobachtet, die auf die Existenz einer neuen Art von Neutrino hindeuten könnten.
Neutrinos sind das zweithäufigste Teilchen im Universum. Obwohl sie so häufig sind, sind sie unglaublich schwer zu untersuchen, da sie nur durch die Schwerkraft und die schwache Kernkraft interagieren, was bedeutet, dass sie in einem Detektor kaum auftauchen.
Neutrinos gibt es in drei Typen oder Geschmacksrichtungen: Myon, Elektron und Tau. Das vielleicht Merkwürdigste an diesen Teilchen ist, dass sie zwischen diesen Geschmacksrichtungen wechseln und von Myon über Elektron zu Tau oszillieren.
Wissenschaftler haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie viele Neutrinos jeder Art in unterschiedlichen Entfernungen von einer Neutrinoquelle vorhanden sein sollten. Beobachtungen aus einigen früheren Neutrinoexperimenten widersprachen jedoch diesen Vorhersagen.
„Das könnte bedeuten, dass es mehr als die drei bekannten Neutrinoarten gibt“, erklärte die Fermilab-Wissenschaftlerin Anne Schukraft. „Im Gegensatz zu den drei bekannten Neutrinoarten würde diese neue Neutrinoart nicht über die schwache Kraft interagieren. Wir könnten sie nur dann sehen, wenn die Messung der Anzahl der Myon-, Elektron- und Tau-Neutrinos nicht so ausfällt, wie sie sollte.“
Das Short Baseline Neutrino Program am Fermilab wird nach Neutrinooszillationen suchen und nach Beweisen, die auf dieses vierte Neutrino hinweisen könnten. SBND ist der Nahdetektor für das Short Baseline Neutrino Program, während ICARUS, das 2021 mit der Datenerfassung begann, der Ferndetektor ist. Ein dritter Detektor namens MicroBooNE beendete im selben Jahr die Aufzeichnung von Teilchenkollisionen mit derselben Neutrinostrahllinie.
Das Short Baseline Neutrino Program am Fermilab unterscheidet sich von früheren Short Baseline-Messungen mit beschleunigerproduzierten Neutrinos, da es sowohl einen Nahdetektor als auch einen Ferndetektor umfasst. SBND wird die Neutrinos messen, während sie im Fermilab-Strahl erzeugt werden, und ICARUS wird die Neutrinos messen, nachdem sie möglicherweise oszilliert haben. Während frühere Experimente Annahmen über die ursprüngliche Zusammensetzung des Neutrinostrahls treffen mussten, wird das SBN-Programm dies definitiv wissen.
„Das Verständnis der Anomalien, die bei früheren Experimenten festgestellt wurden, war in den letzten 25 Jahren ein wichtiges Ziel auf diesem Gebiet“, sagte Schmitz. „Zusammen werden SBND und ICARUS hervorragende Möglichkeiten haben, die Existenz dieser neuen Neutrinos zu testen.“
Mehr als die Jagd nach neuen Neutrinos
Neben der Suche nach einem vierten Neutrino zusammen mit ICARUS verfügt SBND auch über ein eigenes spannendes Physikprogramm.
Da SBND so nah am Neutrinostrahl liegt, wird es 7.000 Wechselwirkungen pro Tag beobachten, mehr Neutrinos als jeder andere Detektor dieser Art. Die große Datenmenge wird es den Forschern ermöglichen, Wechselwirkungen von Neutrinos mit beispielloser Präzision zu untersuchen. Die Physik dieser Wechselwirkungen ist ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Experimente, bei denen flüssiges Argon zum Nachweis von Neutrinos verwendet wird, wie etwa das langstationäre Deep Underground Neutrino Experiment, bekannt als DUNE.
Wenn ein Neutrino mit dem Atomkern kollidiert, wird bei dieser Wechselwirkung ein Partikelstrahl durch den Detektor geschleudert. Um die Eigenschaften der geisterhaften Neutrinos zu bestimmen, müssen Physiker alle bei dieser Wechselwirkung entstehenden Partikel berücksichtigen, sowohl die sichtbaren als auch die unsichtbaren.
Es ist relativ einfach, zu modellieren, was mit einfachen Kernen wie Helium und Wasserstoff passiert, aber SBND verwendet wie viele moderne Neutrinoexperimente Argon, um Neutrinos einzufangen. Der Kern eines Argonatoms besteht aus 40 Nukleonen, was die Wechselwirkungen mit Argon komplexer und schwieriger zu verstehen macht.
„Wir werden zehnmal mehr Daten darüber sammeln, wie Neutrinos mit Argon interagieren, als alle bisherigen Experimente zusammen“, sagte Ornella Palamara, Wissenschaftlerin am Fermilab und Co-Sprecherin des SBND. „Die Analysen, die wir durchführen, werden also auch für DUNE sehr wichtig sein.“
Aber Neutrinos sind nicht die einzigen Teilchen, nach denen die Wissenschaftler des SBND Ausschau halten. Da der Detektor so nah am Teilchenstrahl liegt, ist es möglich, dass die Zusammenarbeit noch weitere Überraschungen erleben wird.
„Es könnte Dinge außerhalb des Standardmodells geben, die nichts mit Neutrinos zu tun haben, sondern als Nebenprodukt des Strahls entstehen und die der Detektor sehen könnte“, sagte Schukraft.
Eine der größten Fragen, auf die das Standardmodell keine Antwort hat, ist die Dunkle Materie. Obwohl SBND nur auf leichte Teilchen reagieren würde, könnten diese theoretischen Teilchen einen ersten Einblick in einen „dunklen Sektor“ geben.
„Bisher haben ‚direkte‘ Suchen nach Dunkler Materie nach massiven Teilchen nichts ergeben“, sagte Andrzej Szelc, Co-Koordinator der SBND-Physik und Professor an der Universität Edinburgh. „Theoretiker haben eine ganze Reihe von Dunkle-Sektor-Modellen leichter Dunkler Teilchen entwickelt, die in einem Neutrinostrahl erzeugt werden könnten, und SBND wird testen können, ob diese Modelle zutreffen.“
Diese Neutrinosignaturen sind für SBND nur der Anfang. Die Kollaboration wird den Detektor in den nächsten Jahren weiter betreiben und die vielen Millionen Neutrinointeraktionen analysieren, die gesammelt werden.
„Die Entdeckung dieser ersten Neutrinos ist der Beginn eines langen Prozesses, auf den wir seit Jahren hingearbeitet haben“, sagte Palamara. „Dieser Moment ist der Beginn einer neuen Ära für die Zusammenarbeit.“