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NOvA实验的新结果进一步揭示了中微子的身份变化行为

2021-10-03 18:05     来源:Fermilab     费米国家加速器实验室中微子
在自然界已知的基本粒子中,中微子可以说是最神秘的。Wolfgang Pauli 在 1930 年提出的中微子直到 1956 年才被实验观测到,因为它们很少与其他粒子相互作用。直到今天,物理学家仍在继续更多地了解这些难以捉摸的粒子。

关于中微子最令人兴奋的发现之一是它们在穿越空间和物质时能够从一种类型的中微子转变为另一种类型的中微子。物理学家研究这些称为中微子振荡的跃迁,以了解中微子的特性以及它们在宇宙形成中可能发挥的作用。

美国能源部费米实验室的NOvA 实验对中微子振荡的最新测量使我们更接近于了解这些改变身份的粒子的性质和行为。

迄今为止,物理学家已经发现了三种类型的中微子,即电子中微子、μ 子中微子和 tau 中微子。中微子振荡是每种中微子味道都是三种中微子质量的独特混合物的结果。中微子的三个质量以不同波长的波的形式传播,这导致中微子成为沿着中微子路径不断变化的混合味道。例如,这种特性使粒子衰变中产生的 μ 中微子能够在以后作为电子中微子相互作用。反中微子,中微子的反粒子,也是相同的三种中微子质量的混合物,也会改变味道。

通过测量中微子振荡,物理学家希望回答有关中微子的开放性问题,包括中微子质量的排序以及中微子是否违反称为电荷奇偶性的对称性。中微子质量排序——哪个中微子质量最轻,哪个最重?——是中微子质量起源的重要线索。电荷奇偶对称性,或简称 CP,是一种自然的对称性,其中粒子和反粒子的行为相同。中微子是服从还是不服从这种对称性?中微子CP违反的发现将是开创性的,可以帮助解释宇宙中物质和反物质的不平衡。

NOvA 科学家通过比较介子中微子束中的中微子振荡与 μ 子反中微子束中的反中微子振荡来了解质量排序和 CP 违反。


NOvA 远探测器中电子中微子相互作用的图像。图片来源:NOVA 合作

中微子和反中微子振荡速率的差异或不对称性可能导致两种方式:物质效应,其中光束遇到的岩石、污垢和其他物质的存在对中微子和反中微子的振荡速率产生不同的影响,具体取决于批量订购;或者来自 CP 破坏,这将影响中微子和反中微子如何与中微子质量混合。在 NOvA 中,物质效应和 CP 违反加起来可能会产生很大的不对称性,或者它们可以抵消而根本不产生不对称性。

一个大型建筑棕色立方体,带有黄色鳍,位于类似仓库的建筑物中。


NOvA 远探测器。照片:Reidar Hahn,费米实验室

NOvA 实验使用费米实验室粒子加速器复合体来检查振荡。该NUMI光束线为实验提供μ子中微子或μ子反中微子的直线、高强度和高纯度光束。NOvA 科学家测量μ子中微子(或μ子反中微子)从光束中消失的速率,以及由于振荡而电子中微子(或电子反中微子)出现在光束中的速率。为了完成这些测量,NOvA 使用了两个位于光束路径上的探测器。近探测器位于束源附近的费米实验室,并在中微子有机会振荡之前观察中微子的相互作用。远探测器位于明尼苏达州北部,在中微子穿越地球 810 公里并有足够的时间振荡后观察中微子的相互作用。

NOvA 合作现在已经发布了其最新的中微子振荡测量结果。它是使用 2014 年 2 月 6 日至 2020 年 3 月 20 日收集的数据获得的,与 NOvA 之前的结果相比,μ 中微子束数据增加了 50%。新结果还反映了数据分析方面的一些改进。

根据这些新数据,NOvA 没有观察到电子中微子和电子反中微子出现率的显着不对称性。特别是,结果不赞成组合产生大不对称性的质量排序和 CP 违反的组合,但与产生与零一致的小不对称性的组合一致。合作继续收集数据,并致力于进一步改进对中微子振荡的测量。到目前为止,合作收集的数据不到计划数据集的一半。

NOvA 合作项目由来自8 个国家/地区49 个机构的260 多名科学家和工程师组成。有了额外的数据和进一步的分析改进,NOvA 将使物理学家更接近于了解中微子的身份改变行为。
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