Πείραμα ανιχνεύει σήμα που είναι ασύμβατο με τις ταλαντώσεις νετρίνων που εμπλέκουν μόνο τα τρία γνωστά είδη των νετρίνων

Τα νετρίνα πάντα γεμάτα εκπλήξεις. Η πρόβλεψη της ύπαρξής τους από τον Wolfgang Pauli το 1930 ήταν ήδη επαναστατική. Αργότερα, έμαθαν ότι τα νετρίνα ταλαντώνονται, που σημαίνει ότι τα τρία γνωστά είδη, οι τρεις γνωστές «γεύσεις», των νετρίνων (ηλεκτρονίου, μυονίου και ταυ) περιοδικά μετατρέπονται το ένα στο άλλο καθώς ταξιδεύουν στο διάστημα – ένα νετρίνο που γεννιέται με γεύση μυονίου, για παράδειγμα, μπορεί αργότερα να ανιχνευθεί ως νετρίνο ηλεκτρονίου ή ταυ νετρίνο. Η ανακάλυψη των ταλαντώσεων του νετρίνου υποδήλωνε ότι τα νετρίνα έχουν μη-μηδενική μάζα, η οποία απαιτούσε μια τροποποίηση στο καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Προσθέτοντας άλλη μια έκπληξη, οι παράμετροι που διέπουν τις ταλαντώσεις των νετρίνων αποδεικνύονται ότι είναι σε τεράστια διαφορά από τις θεωρητικές προσδοκίες.
Τώρα, το πείραμα MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) στο Fermilab στο Illinois, έχει αναζωπυρώσει τον ενθουσιασμό σχετικά με τα νετρίνα σε ένα ακόμη μέτωπο. Δεδομένα από το πείραμα υποδηλώνουν ότι νετρίνα μυονίου μετατρέπονται σε νετρίνα ηλεκτρονίου σε αποστάσεις που είναι πολύ μικρές για να συμβούν οι συμβατικές ταλαντώσεις νετρίνων. Το εύρημα αυτό είναι ακόμη περισσότερο ενδιαφέρον όταν θεωρηθεί ότι ένα προηγούμενο πείραμα – το Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) στο Los Alamos) – ήδη παρατήρησε ένα παρόμοιο σήμα στα τέλη της δεκαετίας του 1990. Η αιτία για τον ενθουσιασμό είναι ότι αυτά τα σήματα θα μπορούσαν να είναι σήματα των στείρων νετρίνων, σωμάτια που αντιδρούν μόνο μέσω της βαρύτητας και δεν προβλέπονται στο καθιερωμένο πρότυπο. Η ύπαρξη των στείρων νετρίνων θα μπορούσε να μας οδηγήσει σε απαντήσεις για ορισμένα από τα πλέον πιεστικά αινίγματα στη φυσική – από τη φύση της σκοτεινής ύλης μέχρι την ασυμμετρία της ύλης στο σύμπαν.
Το MiniBooNE δέχεται νετρίνα που παράγονται με πρόσκρουση μιας υψηλής έντασης δέσμης επιταχυνόμενων πρωτονίων σε ένα στερεό στόχο. Τα πυρηνικά θραύσματα που αναδύονται από αυτές τις συγκρούσεις συνίστανται κυρίως από πιόνια – ασταθή σωμάτια τα οποία ζουν λιγότερο από ένα μικροδευτερόλεπτο, πριν διασπαστούν κατεξοχήν σε μυόνια και νετρίνα μυονίων. Η παραγόμενη δέσμη νετρίνων μυονίου ταξιδεύει περίπου μισό χιλιόμετρο στον ανιχνευτή MiniBooNE, μια σφαιρική δεξαμενή γεμάτη με 818 τόνους ορυκτέλαιο. Όταν ένα εισερχόμενο νετρίνο αλληλεπιδρά με ένα ατομικό πυρήνα μέσα στον ανιχνευτή, παράγει σωμάτια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ανιχνεύσουν νετρίνα και να προσδιορίσουν τη γεύση τους (τυπικά, ένα νετρίνο μυονίου παράγει υψηλής ενέργειας μυόνιο, ενώ ένα νετρίνο ηλεκτρονίου παράγει υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνιο). Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, το MiniBooNE βρίσκει σημαντικά περισσότερα γεγονότα όμοια με των νετρίνων ηλεκτρονίου από ότι αναμένονταν από τις ταλαντώσεις των νετρίνων ή από γνωστά υπόβαθρα.

Τι θα μπορούσε να εξηγήσει αυτό το πλεόνασμα; Αμέσως μετά τις παρατηρήσεις του LSND, οι θεωρητικοί προώθησαν την ιδέα ότι το πλεόνασμα των νετρίνων ηλεκτρονίου θα μπορούσε να υπάρχει λόγω ενός τέταρτου , στείρου νετρίνου. Για να κατανοηθεί γιατί ένα στείρο νετρίνο θα εξηγούσε το σήμα που παρατηρήθηκε από το LSND, και τώρα από το MiniBooNE, έχουμε εμβαθύνει περισσότερο στη κβαντομηχανική των ταλαντώσεων του νετρίνου. Μια από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των νετρίνων είναι ότι οι καταστάσεις (που συνήθως αναφέρονται ως ιδιοκαταστάσεις γεύσης) του νετρίνου ηλεκτρονίου, του νετρίνου μυονίου και του ταυ νετρίνου δεν έχουν συγκεκριμένες μάζες. Μάλλον, κάθε ιδιοκατάσταση γεύσης είναι μια κβαντομηχανική υπέρθεση ιδιοκαταστάσεων μάζας που σημειώνονται ως ν1, ν2 και ν3. Ένα νετρίνο που παράγεται σε ραδιενεργές διεργασίες όπως μια διάσπαση πιονίου είναι πάντα σε μια από τις ιδιοκαταστάσεις γεύσης. Καθώς διαδίδεται μέσω του διαστήματος, ωστόσο, οι κβαντομηχανικές φάσεις των τριών καταστάσεων μάζας εξελίσσονται με διαφορετικούς ρυθμούς.
Μετά από λίγο, το νετρίνο εξελίσσεται σε μια διαφορετική υπέρθεση, που είναι, μια διαφορετική ιδιοκατάσταση γεύσης. Για αυτό είναι που τα νετρίνα ταλαντώνονται. Τα μήκη στα οποία συμβαίνουν οι ταλαντώσεις είναι αντιστρόφως ανάλογα των διαφορών του τετραγώνου μάζας Δm(i,j)^2 = m(i)^2 – m(j)^2 (όπου i,j = 1, 2 ή 3 οι τρεις ιδιοκαταστάσεις μάζας). Τα μήκη αυτά έχουν μετρηθεί με ακρίβεια και είναι ασύμβατα με το αποτέλεσμα του MiniBooNE. Ωστόσο, η εισαγωγή ενός στείρου νετρίνου επιτρέπει για μια τέταρτη ιδιοκατάσταση μάζας ν4 και έτσι για ένα νέο μήκος ταλάντωσης ανάλογο με τη διαφορά του τετραγώνου μάζας Δm(4,1)^2. Συμπεριλαμβάνοντας ένα τέταρτο νετρίνο με μια κατάλληλη τιμή της Δm(4,1)^2, οι μετατροπές γεύσης που διαμεσολαβούν από τη νέα κατάσταση μπορούν να συμβούν περισσότερο γρήγορα από ότι χωρίς αυτό. Ειδικότερα, οι ρυθμοί ταλάντωσης νετρίνου μυονίου σε μυόνιο ηλεκτρονίου σύμφωνα με τα αποτελέσματα του MiniBooNE γίνονται δυνατοί. Κατά περίεργο τρόπο, η ίδια τιμή Δm(4,1)^2 εξηγεί τόσο τα αποτελέσματα του MiniBooNE, όσο και τα αποτελέσματα του LSND, ακόμη και αν οι διατάξεις των δυο πειραμάτων είναι πολύ διαφορετικές.
Η υπόθεση του στείρου νετρίνου υποστηρίχθηκε πέρα από τα ευρήματα των LSND και MiniBooNE. Πειράματα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και με μεγάλα δείγματα ραδιενεργών στοιχείων έχουν αποκαλύψει λιγότερα νετρίνα ηλεκτρονίου από ότι αναμένονταν. Αυτή η φαινομένη εξαφάνιση των νετρίνων ηλεκτρονίου δεν είναι συμβατή με το πλαίσιο των τριών νετρίνων, όμως θα μπορούσε να εξηγηθεί με την εισαγωγή ενός στείρου νετρίνου. Η ιδέα είναι ότι τα νετρίνα ηλεκτρονίου ταλαντώνονται σε στείρα κατάσταση, η οποία μπορεί να ανιχνευθεί.
Αλλοίμονο, άλλα πειράματα μειώνουν σημαντικά τη θεωρία του στείρου νετρίνου. Ειδικότερα, το μοντέλο προβλέπει ότι όχι μόνο θα έπρεπε τα (αντι)νετρίνα ηλεκτρονίου μερικές φορές να εξαφανίζονται σε μια στείρα κατάσταση, αλλά έτσι θα έπρεπε τα νετρίνα μυονίου. Ωστόσο, όλες οι έρευνες για τέτοια εξαφάνιση νετρίνου μυονίου στην απαιτούμενη περιοχή παραμέτρων έχουν προκύψει άγονες, μη ευνοώντας την υπόθεση του στείρου νετρίνου. Έχουν προταθεί εναλλακτικές στα στείρα νετρίνα επικαλούμενες, για παράδειγμα, άλλα μη-καθιερωμένα πρότυπα για τα σωματίδια που είναι πολύ βαρύτερα. Τα προϊόντα διάσπασης αυτών των σωματιδίων θα μπορούσαν να παρερμηνευθούν ως νετρίνα ηλεκτρονίων στα πειράματα MiniBooNE και LSND, εξηγώντας το φαινόμενο πλεόνασμα. Όμως μια πρόσφατη θεωρητική ανάλυση έδειξε ότι σενάρια αυτού του τύπου έχουν επίσης προβλήματα.
Θα μπορούσε το πλεόνασμα νετρίνων στο MiniBooNE να εξηγηθεί με πιο κοινότυπα φαινόμενα; Μια υπόθεση είναι ότι το ανώμαλο σήμα μπορεί να μην υπάρχει λόγω του νετρίνου ηλεκτρονίου αλλά λόγω του υποβάθρου που παράγει παρόμοιες υπογραφές στους ανιχνευτές. Πιθανοί υποψήφιοι είναι τα ουδέτερα πιόνια, τα οποία μπορούν να παραχθούν όταν νετρίνα σκεδάζονται σε πυρήνες. Η διάσπαση των ουδέτερων πιονίων παράγουν φωτόνια που θα μπορούσε να εκλαμβάνονται ως ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που παράγονται από νετρίνα ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή. (Η ομάδα του MiniBooNE έχει διεξαγάγει ειδικές μετρήσεις για να εκτιμήσουν το ρυθμό παραγωγής των ουδέτερων πιονίων, συμπεραίνοντας ότι δεν είναι πιθανό να εξηγηθεί το παρατηρούμενο πλεόνασμα). Αυτή τη στιγμή, μια νέα γενιά πειραμάτων, στο Fermilab και αλλού, είναι σε εξέλιξη, που μπορεί να παράσχουν ξεκάθαρες απαντήσεις.
Στοιχεία για ανώμαλη συμπεριφορά στις ταλαντώσεις νετρίνων τώρα έρχονται από πολλαπλά πειράματα που χρησιμοποιούν πολύ διαφορετικές διατάξεις και τεχνολογίες. Καθώς καμία από τις παρατηρούμενες ανωμαλίες δεν μπορεί να εξηγηθεί πειστικά με το καθιερωμένο πρότυπο, είναι δύσκολο να μη αναστατωνόμαστε. Υπάρχει μια πιθανότητα ότι αυτές οι ταλαντώσεις των νετρίνων είναι το πολύ περιζήτητο παράθυρο στη «νέα φυσική» που θα μας βοηθήσει να λύσουμε τις ανεπάρκειες του καθιερωμένου προτύπου. Ωστόσο, καμιά από τις επεκτάσεις του καθιερωμένου προτύπου που προτάθηκαν μέχρι στιγμής δεν εξηγεί με συνέπεια όλες τις παρατηρούμενες ανωμαλίες, έτσι είναι πρόωρο να πούμε τώρα «εύρηκα!»

Πηγή: American Physical Society egno.gr

Περισσότερα στη δημοσίευση: Significant Excess of Electronlike Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment. Physical Review Letters.

[*] Από άρθρο του Joachim Kopp [a staff scientist at CERN]