Jak neutrino mění svou vůni. Fyzikové zveřejnili první výsledky z experimentu Daya Bay

Mezinárodní neutrinový experiment Daya Bay se nachází v jižní Číně a skládá se z válcových detektorů částic ponořených do vodních bazénů ve třech podzemních halách. Osm detektorů sbírá podle webu MFF UK světelné signály způsobené interakcí elektronových antineutrin, které sem přilétají z blízkých jaderných reaktorů.

Experiment Daya Bay sdružuje 237 vědců z 42 institucí v Severní Americe, Evropě a Asii. Na experimentu se podílejí vědci a studenti z Ústavu jaderné a částicové fyziky MFF UK – T. Dohnal, R. Leitner, B. Roskovec a V. Vorobel.

Za téměř devět let fungování zaznamenal experiment Daya Bay neslýchaných 5,5 mil. interakcí subatomárních částic zvaných neutrina. V minulém týdnu tým fyziků mezinárodního experimentu Daya Bay, s účastí ÚČJF MFF UK, přinesl první výsledky z úplného souboru dat – doposud nejpřesnější měření směšovacího úhlu neutrin θ13, klíčového parametru k porozumění tomu, jak neutrino mění svou tzv. vůni. Výsledek, který byl prezentován na konferenci Neutrino 2022 v Soulu, pomůže vědcům prozkoumat největší záhady kolem původu hmoty ve vesmíru.

Neutrina jsou subatomární částice, kterých je na jednu stranu nesmírně mnoho, na druhou stranu je velmi obtížné je detekovat. Nepřetržitě bombardují každý kousek zemského povrchu rychlostí blízkou rychlosti světla, nicméně jen ojediněle se Zemí interagují. Mohou proletět vrstvou olova tlustou světelné roky bez zaškobrtnutí o jediný atom.

Jednou z charakteristik těchto těžko polapitelných částic je jejich schopnost oscilovat mezi třemi tzv. vůněmi: elektronovým, mionovým a tauonovým neutrinem. Experiment Daya Bay byl navržen pro zkoumání vlastností, které určují právě pravděpodobnost oscilací, směšovací úhly a rozdíly kvadrátu hmotností.

Pouze jeden ze tří směšovacích úhlů byl neznámý v roce 2007, kdy byl experiment Daya Bay navržen, konkrétně θ13. Experiment byl postaven pro určení tohoto úhlu, a to přesněji než jakýkoliv jiný experiment .

Pro určení hodnoty θ13 vědci v Daya Bay detekují neutrina dané vůně, v tomto případě elektronová neutrina, v každé z podzemních hal. Dvě haly jsou blízko jaderných reaktorů a třetí je dále, aby měla antineutrina dostatečnou vzdálenost pro oscilování. Porovnáním počtu detekovaných antineutrin v blízkých a vzdálených detektorech mohou fyzikové spočítat, kolik jich změnilo svou vůni a následně určit hodnotu θ13.

Fyzikové v Daya Bay jako první na světě v roce 2012 naměřili směšovací úhel θ13 a od té doby zpřesňovali své měření tak, jak experiment nabíral více dat. Nyní, po devíti letech sběru dat ukončeném v prosinci 2020, experiment předčil veškerá očekávání mimo jiné díky výbornému výkonu detektorů a přesné analýze dat. S úplným souborem dat byli fyzikové schopni určit hodnotu θ13 s přesností 2,5krát lepší než podle původního předpokladu na začátku měření. V současné době neexistuje, ani není navržen, jediný experiment, který by dosáhl takové přesnosti, natož ji předčil.

„Měli jsme několik analytických týmů, které důkladně prověřily celý soubor dat a pečlivě vzaly v potaz vývoj ve výkonu detektorů po dobu fungování 9 let,“  říká prof. Rupert Leitner z ÚČJF MFF UK, vedoucí české skupiny v experimentu Daya Bay. „Týmy využily velkého souboru dat nejen pro vylepšení výběru antineutrinových událostí, ale i pro zlepšení odhadu pozadí. Toto úsilí umožnilo dosažení bezkonkurenční úrovně přesnosti.“

Přesné změření θ13 umožní fyzikům snadněji určit další parametry fyziky neutrin, stejně jako přijít s přesnějšími modely subatomárních částic a jejich interakcí.

Zjištěním vlastností antineutrin a jejich interakcí mohou fyzikové získat vhled do nerovnováhy mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru. Fyzikové se domnívají, že v okamžiku Velkého třesku na počátku vesmíru bylo vytvořeno stejné množství hmoty a antihmoty. V takovém případě by však tyto protiklady měly vzájemně anihilovat, přičemž by po nich zbylo jen světlo. Nějaký rozdíl mezi nimi musel vychýlit jazýček vah a vysvětlit tak převahu hmoty (nedostatek antihmoty) v dnešním vesmíru.

„Očekáváme, že by zde mohl být rozdíl právě mezi neutriny a antineutriny,“  říká prof. Leitner. „Doposud jsme nenaměřili rozdíl mezi částicemi antičásticemi u tzv. leptonů, mezi které neutrina patří. Rozdíl byl pozorován pouze pro kvarky a antikvarky. Ten ale není dostatečně velký, aby vysvětlil proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty.“

Nejnovější analýza úplného souboru dat experimentu Daya Bay také přinesla přesné změření rozdílu kvadrátu hmotností. Tento parametr určuje frekvenci s jakou neutrina oscilují.

„Určení tohoto rozdílu kvadrátu hmotností nebyl původní cíl Daya Bay, ale nakonec to bylo možné díky relativně velké hodnotě směšovacího úhlu θ13,“  vysvětluje prof. Leitner.

Vědci z experimentu Daya Bay jsou jen na začátku analýzy úplného souboru dat a v blízké budoucnosti se očekávají další výsledky, včetně zpřesnění předchozích měření.

Zdroj: MFF UK, The Regents of the University of California