Объявлены первые результаты финального набора данных Daya Bay
За почти девять лет нейтринный эксперимент на реакторе Дайя-Бей зафиксировал беспрецедентные пять с половиной миллионов взаимодействий субатомных частиц, называемых нейтрино. Теперь международная команда физиков из коллаборации Daya Bay сообщила о первом результате полного набора данных эксперимента — наиболее точном измерении тета13, ключевого параметра для понимания того, как нейтрино меняют свой «аромат». Результат, объявленный сегодня на конференции Neutrino 2022 в Сеуле, Южная Корея, поможет физикам исследовать некоторые из самых больших загадок, окружающих природу материи и Вселенной.
Вид с высоты птичьего полета на подземный зал дальнего детектора Daya Bay во время установки. Четыре детектора антинейтрино погружены в большой бассейн со сверхчистой водой. Авторы и права: Рой Кальчмидт, Berkeley Lab.
Нейтрино — это субатомные частицы, которые известны своей неуловимостью и невероятной распространенностью. Они бесконечно бомбардируют каждый дюйм земной поверхности почти со скоростью света, но редко взаимодействуют с материей. Они могут пройти сквозь толщу свинца длиной в световой год, не потревожив ни единого атома.
Одной из определяющих характеристик этих призрачных частиц является их способность колебаться между тремя различными «ароматами»: мюонным нейтрино, тау-нейтрино и электронным нейтрино. Нейтринный эксперимент Daya Bay Reactor был разработан для исследования свойств, которые определяют вероятность этих колебаний, или того, что известно как углы смешивания и расщепление масс.
Только один из трех углов смешения оставался неизвестным во время проектирования Daya Bay в 2007 году: theta13. Итак, Daya Bay был создан для измерения тета13* с более высокой чувствительностью, чем любой другой эксперимент.
Работающий в провинции Гуандун, Китай, нейтринный эксперимент Daya Bay Reactor состоит из больших цилиндрических детекторов частиц, погруженных в бассейны с водой в трех подземных пещерах. Восемь детекторов улавливают световые сигналы, генерируемые антинейтрино, исходящими от близлежащих атомных электростанций. Антинейтрино — это античастицы нейтрино, и они в изобилии производятся ядерными реакторами. Daya Bay был построен благодаря международным усилиями первое в своем роде партнерство для крупного физического проекта между Китаем и Соединенными Штатами. Пекинский Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук возглавляет роль Китая в сотрудничестве, в то время как Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (DOE) и Брукхейвенская национальная лаборатория совместно возглавляют участие США.
Чтобы определить значение тета13, ученые Дайя-Бей обнаружили нейтрино определенного аромата — в данном случае, электронные антинейтрино — в каждой из подземных пещер. Две пещеры находятся рядом с ядерными реакторами, а третья пещера находится дальше, обеспечивая достаточное расстояние для колебаний антинейтрино. Сравнивая количество электронных антинейтрино, уловленных ближним и дальним детекторами, физики подсчитали, сколько изменилось ароматов и, следовательно, значение тета13.
Физики Дайя-Бей провели первое в мире окончательное измерение тета-13 в 2012 году и впоследствии улучшили точность измерения, поскольку эксперимент продолжал собирать данные. Теперь, после девяти лет работы и окончания сбора данных в декабре 2020 года, отличной производительности детектора и специального анализа данных, Daya Bay намного превзошел все ожидания. Работая с полным набором данных, физики измерили значение тета13 с точностью, в два с половиной раза превышающей цель эксперимента. Ожидается, что ни один другой существующий или планируемый эксперимент не достигнет такого высокого уровня точности.
«У нас было несколько аналитических групп, которые кропотливо изучили весь набор данных, тщательно принимая во внимание эволюцию производительности детектора за девять лет работы», — сказал представитель Daya Bay из IHEP Цзюнь Цао. «Команды воспользовались большим набором данных не только для уточнения выбора событий антинейтрино, но и для улучшения определения фона. Эти целенаправленные усилия позволили нам достичь непревзойденного уровня точности».
Точное измерение тета13 позволит физикам легче измерять другие параметры физики нейтрино, а также разрабатывать более точные модели субатомных частиц и их взаимодействия.
Исследуя свойства и взаимодействия антинейтрино, физики могут получить представление о дисбалансе материи и антиматерии во Вселенной. Физики считают, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах во время Большого взрыва. Но если бы это было так, то эти две противоположности должны были бы аннигилировать, оставив после себя только свет. Некоторая разница между ними, должно быть, склонила чашу весов, чтобы объяснить преобладание материи (и недостаток антиматерии) во Вселенной сегодня.
«Мы ожидаем, что между нейтрино и антинейтрино может быть некоторая разница», — сказал физик из Беркли и сопредседатель Daya Bay Кам-Биу Лук. «Мы никогда не обнаруживали различий между частицами и античастицами для лептонов, типа частиц, которые включают нейтрино. Мы обнаруживали различия между частицами и античастицами только для кварков. Но различий, которые мы видим с кварками, недостаточно, чтобы объяснить, почему материи во Вселенной больше, чем антиматерии. Вполне возможно, что нейтрино могут быть дымящимся пистолетом».
Последний анализ окончательного набора данных Daya Bay также предоставил физикам точное измерение расщепления массы. Это свойство определяет частоту осцилляций нейтрино.
«Измерение расщепления массы не входило в число первоначальных целей дизайна Daya Bay, но оно стало доступным благодаря относительно большому значению тета13», — сказал Люк. «Мы измерили расщепление массы до 2,3% с окончательным набором данных Daya Bay, что является улучшением по сравнению с точностью 2,8% предыдущего измерения Daya Bay».
В дальнейшем международная коллаборация Daya Bay планирует сообщить о дополнительных выводах из окончательного набора данных, включая обновления предыдущих измерений.
Эксперименты с нейтрино следующего поколения, такие как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), будут использовать результаты Daya Bay для точного измерения и сравнения свойств нейтрино и антинейтрино. В настоящее время строящаяся DUNE предоставит физикам самый интенсивный в мире нейтринный пучок, подземные детекторы, разделенные на 800 миль, и возможность изучать поведение нейтрино, как никогда раньше.
«Как одна из многих физических целей, DUNE рассчитывает в конечном итоге измерить тета-13 почти так же точно, как Дайя Бэй», — сказала физик-экспериментатор из Брукхейвена и соавтор Дайя Бэй Элизабет Вустер. «Это захватывающе, потому что тогда у нас будут точные измерения тета-13 из разных каналов колебаний, что позволит строго проверить модель с тремя нейтрино. Пока DUNE не достигнет такой высокой точности, мы можем использовать точное измерение тета-13 Дайя-Бей в качестве ограничения для поиска различия между свойствами нейтрино и антинейтрино».
Ученые также будут использовать большое значение тета13 и реакторные нейтрино, чтобы определить, какое из трех нейтрино является самым легким. «Точное измерение тета-13 в заливе Дайя улучшает чувствительность к упорядочению массы подземной нейтринной обсерватории Цзянмэнь (JUNO), строительство которой в Китае будет завершено в следующем году», — сказал Ифан Ван, представитель JUNO и директор IHEP. «Кроме того, через несколько лет JUNO достигнет субпроцентной точности при расщеплении массы, измеренном Daya Bay».
