Billede: University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory
Du er sikkert klar over, at ting er lavet af partikler. Men den anden mest udbredte partikel i universet, neutrino, nægter at være fuldt forstået. Denne lille og undvigende speck kun knap vekselvirker med andre partikler, som kan gøre os mennesker og vores galakse, mælkevejen. Dets mysterier fortsætte med at forvirre offentligheden og de få forskere, der taler, til at denne dag.
Der findes tre typer af disse neutrinoer, “elektron,” “muon,” og “tau”, og de kan skifte identiteter gennem en proces, der kaldes neutrino oscillation. Men masser af beviser fra adskillige eksperimenter antyder en anden neutrino, endnu vanskeligere at opdage end de tre andre, kaldes den “sterile neutrino.” Denne sidste April, et nyt papir, der er forårsaget medierne sår tvivl om eksistensen af denne mærkelige partikel. Men en anden analyse viser, at den sterile neutrino er langt fra død. Og forståelse “reaktor anomali” giver næring til denne samtale kan have vigtige konsekvenser for den nukleare industri.
“Den generelle holdning er, at der er behov for nye eksperimenter,” Anna Hayes, der er førsteforfatter på en ny analyse lagt ud på arXiv preprint server fra Los Alamos National Lab fortalte Gizmodo.
Den sterile neutrino har en lang historie. Eksperimenter med reaktorer, og partikelacceleratorer har bekræftet den mærkelige neutrino identitet-skifte svingning adfærd, som vandt forskere, Takaaki Kajita og Arthur McDonald 2015 Nobelprisen i fysik. Men et eksperiment, kaldet Flydende Scintillator Neutrino Detektor på Los Alamos så ekstra “elektron antineutrinos” (i partikel fysik, hver partikel har en antiparticle, der fungerer nøjagtig den samme, men tilintetgjør sin partner, hvis de nogensinde mødes) i svingning proces. Et andet eksperiment kaldet MiniBooNE så nogle ekstra data i sine egne svingninger.
Denne ekstra data underforstået, at måske er der nogle fjerde neutrino, den sterile neutrino, at eksperimenter kan ikke registrere, en, som de tre andre neutrinoer kan ændre i. Det kan føles som at bebrejde uforklarlige cookies i skabet på spøgelser, men det er ikke nødvendigvis sandt. Der er fire bekræftet måder at partikler, der kommunikerer med hinanden: tyngdekraften, elektromagnetismen, den stærke kernekraft og den svage kernekraft. Almindelige neutrinoer tale til andre partikler med den svage kernekraft og tyngdekraft, men måske disse sterile neutrinoer kun tale via tyngdekraften, hvilket ville forklare, hvorfor eksperimenterne ikke kan se dem.
Lad os sige, at du har fået en walkie talkie tunet til at den svage kernekraft kanal. Neutrinoer sender deres oplysninger med to walkie talkies: en på din kanal og én tyngdekraft kanal. Men hvis din radio ikke kan opfange signaler om tyngdekraften kanal, og det er det eneste sted, sterile neutrinoer kan udsendes, så du ikke kan høre dem.
For nylig, øjne har været på Daya Bay-kernekraftværket i Kina, hvor forskerne har oprettet særlige neutrino detektorer til at fange de partikler, der kommer ud af reaktoren. Gigantiske puljer af en speciel væske producere små glimt af lys, når en neutrino interagerer med deres molekyler via den svage kernekraft. Disse blinker er forstærket og omdannes til signaler på detektorer.
Eksperimentet har afsløret, hvad folk refererer til som “reaktor anomali”. Bryce Littlejohn fra Illinois Institute of Technology forklarede, at Gizmodo i en mail: “Reaktor neutrino-eksperimenter,” dem, hvor neutrino detektorer observere de radioaktive elementer på kernekraftværker, “se 6% færre reaktor neutrinoer, end hvad teoretikerne forudser, de bør se. En hypotese for dette underskud er, at nogle af elektron-type neutrinoer produceret i de reaktorer, der er under forandring til endnu-mere-spøgelsesagtige sterile neutrinoer vej til de forskellige reaktor neutrino detektorer.” Detektorerne kan ikke kommunikere med disse sterile neutrinoer.
Men et nyt sæt af resultater fra April fik masser af dækning og tvivl om, hvorvidt sterile neutrinoer forklare denne afvigelse. I det væsentlige, fandt forskerne, at størrelsen af den skævhed ændret, da det elementære sammensætning af Daya Bay ‘ s radioaktivt brændstof ændret sig over tid. Disse resultater indebærer, at det måske detektorer var simpelthen misjudging antallet af antineutrinos, der kommer fra en af brændstof, der er uran varianter, uran-235. “Måske er det U-235 afvigelse kan forklare reaktoren anomali,” Karsten Heeger, neutrino fysiker ved Yale University, der er ansvarlig for meget af Usa’ s bidrag til Daya Bay ‘ s design og samling, fortalte Gizmodo. Simpelthen, at folk begyndte at sige, måske har de ikke havde fundet beviser for sterile neutrinoer, efter at alle.
Disse overskrifter har udløst masser af samtalen, men Hayes’ ny analyse viser, at uran-235 resultater kan ikke bortforklare anomali. “Vi ville sige, at den nye Daya Bay resultater bestemt spørgsmål oprindelsen af den skævhed, men de udelukker ikke sterile neutrinoer.” Forskerne gik tilbage til atomkraft-industrien og andre databaser og kiggede på neutrino flux og atomare henfald data igen. Og mens størrelsen af neutrino anomali, var mindre end seks procent anomali beskrevet af Littlejohn, det var stadig til stede og uforanderlig med brændstof, gendrive nyheder rapporter, der er offentliggjort i April. Sterile neutrinoer er ikke død endnu—selvom Hayes ville ikke udelukke, at der måske forskere ved bare ikke så meget om kernefysik, som de troede.
Littlejohn påpegede, at mange neutrino fysikere tror, at der kunne være noget galt med en analyse af et eller andet sted. Men “den eneste reelle måde at løse sterile neutrinoer i reaktorer, der én gang for alle er til direkte at måle steril neutrino forandringer med en ny type reaktor eksperiment,” skrev han. Han og Heeger både arbejde på et sådant eksperiment kaldes UDSIGTEN. Snarere end en blanding af isotoper som dem, der findes på Daya Bay, UDSIGT vil observere antineutrinos fra Oak Ridge National Laboratory reaktor, der bruger ren uran-235.
“Nye eksperimenter ville gå til et meget mindre reaktor og gå meget tæt på at sige mindre end ti meter,” siger Hayes. Daya Bay ‘ s detektorer, der er placeret et par hundrede meter fra reaktoren, men UDSIGTEN er kun syv meter fra sin reaktor, gør det muligt for forskerne at observere neutrinoer meget hurtigere, når de er udsendt. Hayes påpegede, at andre eksperimenter i Europa, der vil tilsvarende forsøg på at forklare denne afvigelse.
Og hvis alt dette føles som nogle esoteriske partikel fysik, det er faktisk ret vigtigt for atomreaktorer i almindelighed. “Beta rådnende,” neutrino-producerende proces, “producerer en masse varme,” siger Hayes. “Hvis vi ikke tælle neutrino korrekt, at vi ikke tælle mængden af varme, der korrekt”, som kan få stor betydning i reaktor sikkerhed.
Heeger og Hayes begge påpeget, at den sterile neutrino problem går på tværs af neutrino physics, ringer i know-how fra andre partikel fysikere og atomfysikere. “Hvis det er en nuklear fysik problemet,” siger Hayes, “for et andet samfund, er det lige så vigtigt.”
[arXiv, h/t Dan Garisto!]