Ett internationellt team av fysiker, inklusive forskare från Rutgers, har dragit slutsatsen att en hypotetiserad fjärde typ av neutrino, känd som sterilt neutrino, troligen inte existerar. Med hjälp av MicroBooNE-experimentet vid Fermilab analyserade de data från två neutrinostrålar under tio år och fann inga bevis med 95 procents säkerhet. Resultaten, publicerade i Nature, utmanar tidigare förklaringar till ovanligt neutrinobeteende.
MicroBooNE-experimentet, som genomfördes vid Fermi National Accelerator Laboratory under USA:s energidepartement i Batavia, Illinois, använde en stor flytande argondetektor för att spåra neutrinointreaktioner. Neutrinos, små partiklar som passerar genom materia med minimal interaktion, förekommer i tre kända smaker – elektron, myon och tau – enligt partikelfysikens standardmodell. Dessa kan oscillera, eller byta typ, under resan.
Tidigare observationer av neutrin anomalier ledde forskare att föreslå ett sterilt neutrino, som bara skulle interagera via gravitation och undvika standarddetektering. För att testa detta samlade MicroBooNE-teamet data från två strålar: en från Booster-källan och en från NuMI-strålen (Neutrinos from the Main Injector). Efter ett decennium av mätningar upptäcktes inga tecken på produktion eller oscillation av sterila neutrinos, vilket effektivt utesluter hypotesen vid 95 procents konfidensnivå.
Andrew Mastbaum, biträdande professor i fysik vid Rutgers University och ledningsmedlem i MicroBooNE, belyste implikationerna. "Detta resultat kommer att väcka innovativa idéer inom neutrinoforskning för att förstå vad som verkligen händer", sade han. "Vi kan utesluta en stor misstänkt, men det löser inte mysteriet helt."
Rutgers doktorander bidrog avsevärt: Panagiotis Englezos hanterade dataprocitering och simuleringar, medan Keng Lin validerade neutrinoflödet från NuMI-strålen. Mastbaum koordinerade analysverktyg och hanterade systematiska osäkerheter som neutrin-kärninteraktioner och detektorrespons.
Upptäckten smalnar av sökandet efter fysik bortom standardmodellen, som inte förklarar mörk materia, mörk energi eller gravitation. Den förfinar också flytande argondetekteringstekniker för kommande projekt som Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Som Mastbaum noterade: "Med noggrann modellering och smarta analysmetoder har MicroBooNE-teamet pressat ut en otrolig mängd information ur denna detektor." Dessa metoder kommer att undersöka djupare frågor om materia och universums ursprung.