Детектор темной материи делает невероятные нейтринные наблюдения

Детектор, предназначенный для охоты за темной материи, сделал наблюдение по физике частиц, которое, мы надеемся, поможет физикам установить важные истины о нашей Вселенной. Нет, там не было темной материи, но новый результат доказывает, что эти сверхчувствительные детекторы ценны для ученых по разным причинам.

С точки зрения гравитации Вселенная ведет себя так, как будто она содержит гораздо больше материи, чем на самом деле идентифицировали астрономы, поэтому физики создали эксперименты для поиска кандидатов в эту так называемую темную материю. Охота на самого популярного кандидата в темную материю до сих пор оказалась безрезультатной. Но один из этих экспериментов с темной материей, названный XENON1T, в настоящее время наблюдал процесс, который избежал многократных попыток обнаружения, который, мы надеемся, поможет ученым лучше понять темную частицу, называемую нейтрино.

«Это доказывает, что технология детектора XENON, которую мы используем для темной материи, гораздо более универсальна», - сказал аспирант Кристиан Виттвег, аспирант Университета Мюнстера в Германии. «Мы получаем все эти классные анализы ... бесплатно после проведения эксперимента, достаточно чувствительного, чтобы охотиться на темную материю».

Ученые уверены, что вторая самая распространенная частица во Вселенной (после фотонов, частиц света) - это нейтрино. Но нейтрино очень трудно обнаружить и измерить. Мы знаем, что у них есть масса, но не знаем сколько. Мы знаем, что у них есть античастица, своего рода злой двойник, который заставляет обе частицы уничтожаться, если они встречаются, но не знает природу этой античастицы. Есть множество тайн нейтрино, которые нужно разгадать. Новое измерение, названное «двойной нейтринный захват двух нейтрино», является важной отправной точкой для предоставления этих ответов.

Двойной электронный захват двух нейтрино - чрезвычайно редкое взаимодействие частиц, которое впервые было теоретизировано в 1955 году и «избежало обнаружения в течение десятилетий», согласно статье, опубликованной в Nature. При этом два протона в атомном ядре спонтанно и одновременно поглощают пару электронов, вращающихся вокруг ядра, высвобождая пару нейтрино. Экспериментальная сигнатура события - это поток рентгеновских лучей и электронов, возникающих в результате того, что другие электроны вращаются вокруг атома, заменяя два, поглощенных ядром. И когда я говорю редкий, я имею в виду редкий. Согласно документу, среднее количество времени, которое понадобится половине атомов ксенона в образце, чтобы пройти эту реакцию, составляет 1,8 × 1022 года. Это примерно триллион раз возраст Вселенной.

XENON1T - это эксперимент, прекрасно оборудованный для измерения этого редкого события. Во-первых, он содержит кучу атомов ксенона - 3,2 тонны жидкого ксенона (хотя, как примечание, изотоп ксенона, использованный для этого измерения, составляет лишь небольшую долю от общего количества атомов ксенона). Во-вторых, вся обстановка похоронена глубоко в итальянской горе, защищая ее практически от любой частицы, которая может вызвать ложный сигнал. И, наконец, ученые понимают почти каждый шум, который может генерировать сигнал в эксперименте, увеличивая их уверенность в том, что они действительно нашли что-то важное, когда появляется аномальный сигнал.

После 214 дней наблюдений (177 дней пригодных для использования данных) анализ исследователей выявил примерно 126 событий двойного захвата электронов с двумя нейтрино.

Это невероятное научное достижение. «Это самый длинный период полураспада, когда-либо измеренный напрямую», - сказала студентка Ph.D. Кьяра Капелли из Цюрихского университета, работающая на XENON.

Исследователи не называют свои результаты «открытием», потому что их статистика не достигла порогового значения стандартного отклонения, которое требуется физикам для использования этого слова. Вместо этого они называют это «наблюдением», поскольку в результате получилось значение 4,4 сигма. Это означает, что существует лишь один шанс из нескольких сотен тысяч, что они увидят этот результат, если бы реакции не было, но потребуется немного больше наблюдений, чтобы добраться до шансов один на 3,5 миллиона, требуемых физиками, чтобы объявить открытие.

Затем ученые будут искать не-нейтрино, или безнейтринный двойной захват электронов, еще более редкое событие, при котором после события двойного захвата электронных нейтрино два нейтрино сталкиваются и испускают гамма-лучи. Это продемонстрировало бы, что нейтрино являются их собственными античастицами, и позволило бы ученым поставить число в массу нейтрино. Это также поиск реакции, называемой безнейтринным двойным бета-распадом - что-то вроде противоположности безнейтринного двойного захвата электронов, когда два нейтрона самопроизвольно и одновременно превращаются в протоны, испуская электроны и пару нейтрино, которые аннигилируют друг друга.

Мы не знаем, произойдут ли эти «безнейтринные» реакции, но это важный вопрос для физиков элементарных частиц. Если нейтрино действительно являются их собственной античастицей, это помогло бы объяснить, почему нейтрино имеют такую ​​малую массу и, возможно, почему во Вселенной гораздо больше вещества, чем антивещества.