Ein großes Physik-Experiment hat gerade ein Teilchen entdeckt, das nicht existieren sollte

Wissenschaftler haben die bisher besten Beweise für so genannte sterile Neutrinos geliefert, mysteriöse Teilchen, die Materie passieren, ohne mit ihr zu interagieren.

Die ersten Hinweise auf diese flüchtigen Teilchen, die vor Jahrzehnten aufgetaucht sind. Aber nach jahrelangen Recherchen konnten die Wissenschaftler keine weiteren Beweise dafür finden, und viele Experimente widersprachen diesen alten Ergebnissen. Diese neuen Ergebnisse lassen nun zwei robuste Experimente zu, die die Existenz steriler Neutrinos zu demonstrieren scheinen, auch wenn andere Experimente weiterhin darauf hindeuten, dass sterile Neutrinos gar nicht existieren.

Das bedeutet, dass im Universum etwas Seltsames passiert, das die modernsten physikalischen Experimente der Menschheit widersprüchlich macht. [Die 18 größten ungelösten Mysterien in der Physik]

Sterile Neutrinos

Mitte der 1990er Jahre fand der Flüssigszintillator-Neutrino-Detektor (LSND), ein Experiment im Los-Alamos-National-Labor in New Mexico, Hinweise auf ein mysteriöses neues Teilchen: ein "steriles Neutrino", das Materie passiert, ohne damit in Wechselwirkung zu treten. Aber dieses Ergebnis konnte nicht repliziert werden. andere Experimente konnten einfach keine Spur von dem versteckten Teilchen finden. Also wurde das Ergebnis beiseite gelegt.

Jetzt hat MiniBooNE - ein Nachfolgeexperiment im Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in der Nähe von Chicago - den Geruch der versteckten Partikel wieder aufgenommen. Ein neues Paper auf dem Preprint-Server arXiv bietet das fehlende Neutrino, das Physiker aufhorchen lässt.

Wenn die neuen Ergebnisse von MiniBooNE halten, "Das wäre riesig; das ist jenseits des Standardmodells; das würde neue Partikel erfordern ... und einen völlig neuen analytischen Rahmen", sagte Kate Scholberg, Teilchenphysikerin der Duke University, die nicht an der Experiment.

Das Standardmodell der Physik hat das Verständnis der Wissenschaftler für das Universum für mehr als ein halbes Jahrhundert dominiert. Es ergibt sich eine Liste von Teilchen, die zusammen einen langen Weg zur Erklärung der Wechselwirkung von Materie und Energie im Kosmos darstellen. Einige dieser Teilchen, wie Quarks und Elektronen, sind ziemlich leicht vorstellbar: Sie sind die Bausteine ​​der Atome, die alles ausmachen, was wir jemals mit unseren Händen berühren werden. Andere, wie die drei bekannten Neutrinos, sind abstrakter: Sie sind hochenergetische Teilchen, die durch das Universum strömen und kaum mit anderer Materie interagieren. Milliarden von Neutrinos von der Sonne gehen jede Sekunde durch die Fingerspitzen, aber es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie einen Einfluss auf die Partikel deines Körpers haben.

Elektronen-, Myon- und Tau-Neutrinos - die drei bekannten "Aromen" - interagieren jedoch mit Materie, und zwar sowohl durch die schwache Kraft (eine der vier fundamentalen Kräfte des Universums) als auch durch die Schwerkraft. (Ihre Antimaterie-Zwillinge interagieren manchmal auch mit Materie.) Das bedeutet, dass spezialisierte Detektoren sie finden können, sowohl von der Sonne als auch von bestimmten menschlichen Quellen wie Kernreaktionen. Aber das LSND-Experiment, sagte Scholberg gegenüber Live Science, lieferte den ersten sicheren Beweis dafür, dass das, was Menschen entdecken konnten, nicht das vollständige Bild sein konnte.

Während Wellen von Neutrinos durch den Raum strömen, "oszillieren" sie periodisch und springen zwischen einem Geschmack und einem anderen hin und her, erklärte sie. Sowohl LSND als auch MiniBooNE involvieren das Strahlen von Neutrinos an einem Detektor, der hinter einem Isolator verborgen ist, um jegliche andere Strahlung zu blockieren. (In LSND war der Isolator Wasser; in MiniBooNE ist es eine Ölwanne.) Und sie zählen sorgfältig, wie viele Neutrinos jedes Typs auf den Detektor treffen.

Beide Experimente haben nun mehr Neutrino-Detektionen als das Standard-Modell Beschreibung der Neutrino-Oszillation kann erklären, die Autoren in der Zeitung zu schreiben. Das deutet darauf hin, dass die Neutrinos in versteckte, schwerere "sterile" Neutrinos oszillieren, die der Detektor nicht direkt detektieren kann, bevor er in den nachweisbaren Bereich zurückschwingt. Das MiniBooNE-Ergebnis hatte eine Standardabweichung von 4,8 sigma, knapp hinter der Schwelle von 5,0, nach der Physiker suchen. (Ein 5-Sigma-Ergebnis hat eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 3,5 Millionen, das Ergebnis zufälliger Schwankungen in den Daten zu sein.) Die Forscher schrieben, dass MiniBooNE und LSND zusammen ein 6.1-Sigma-Ergebnis darstellen (was mehr als eins zu 500 bedeutet) die Wahrscheinlichkeit, ein Glücksfall zu sein), obwohl einige Forscher eine gewisse Skepsis gegenüber dieser Behauptung äußerten.

Wenn LSND und MiniBooNE die einzigen Neutrinoexperimente auf der Erde wären, sagte Scholberg, das wäre das Ende der Sache. Das Standardmodell würde aktualisiert werden, um eine Art steriles Neutrino zu enthalten.

Aber es gibt ein Problem. Andere wichtige Neutrinumexperimente, wie das Experiment Underground Oscillation Project mit Emulsion-Tracking Apparatus in der Schweiz, haben nicht die Anomalie gefunden, die LSND und MiniBooNE jetzt gesehen haben.

Noch im Jahr 2017, nachdem das IceCube Neutrino Observatorium in der Antarktis versäumt hatte, Beweise für sterile Neutrinos zu liefern, machten die Forscher Live Science darauf aufmerksam, dass ein anderes gemeldetes Signal der Teilchen - vermisste Antineutrinos um Kernreaktoren - ein Fehler war und tatsächlich war das Ergebnis schlechter Berechnungen.

Sterile Neutrinos seien keine abgewiesene Idee, sagte Scholberg, aber sie seien keine anerkannte Wissenschaft.

Das MiniBooNE-Ergebnis verkompliziert das Partikelbild.

"Es gibt Leute, die das Ergebnis bezweifeln", sagte sie, "aber es gibt keinen Grund zu denken, dass etwas falsch ist [mit dem Experiment selbst]."

Es ist möglich, sagte sie, dass die Anomalie in den LSND- und MiniBooNE-Experimenten sich als "Systematik" herausstellen könnte, was bedeutet, dass Neutrinos mit der Versuchsanordnung interagieren, die die Wissenschaftler noch nicht verstehen.Aber es scheint auch immer mehr möglich zu sein, dass Wissenschaftler erklären müssen, warum so viele andere Experimente nicht wirklich sterile Neutrinos aufspüren, die im Fermilab und Los Alamos Lab auftauchen. Und wenn das der Fall ist, müssen sie ihr gesamtes Verständnis des Universums in diesem Prozess revidieren.

Ursprünglich veröffentlicht am Live-Wissenschaft.