Το 1990, το πείραμα LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) παρατήρησε ένα ανώμαλο σήμα που υποδείκνυε την πιθανή ύπαρξη στερόνιων νετρίνων – ενός τέταρτου τύπου νετρίνου πέρα από τα τρία καθιερωμένα είδη (ηλεκτρονικό, μυονικό και νετρίνο).
Το MiniBooNE κατασκευάστηκε για να εξετάσει αυτή την ανωμαλία, χρησιμοποιώντας την ίδια μεθοδολογία δέσμης νετρίνων. Ωστόσο, αντί να επιλύσει το μυστήριο, το MiniBooNE ανακάλυψε μια νέα ανωμαλία.
«Το MiniBooNE παρατήρησε πάρα πολλά ηλεκτρομαγνητικά γεγονότα που έμοιαζαν με ηλεκτρονικά νετρίνα στον ανιχνευτή τους», εξήγησε ο Chris Thorpe, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και συγγραφέας της μελέτης. «Μια πιθανή αιτία της υπεραφθονίας MiniBooNE είναι η ύπαρξη ενός νέου είδους νετρίνου, αλλά άλλες εξηγήσεις, όπως λανθασμένη μοντελοποίηση υποβάθρου ή αποσυντιθέμενα σωματίδια σκοτεινής ύλης, θα μπορούσαν επίσης να ευθύνονται για την ανωμαλία».
Η κατανόηση της φύσης της ανωμαλίας έγινε ο κύριος στόχος του MicroBooNE, του ανιχνευτή επόμενης γενιάς που σχεδιάστηκε ειδικά για να διερευνήσει την υπεραφθονία του MiniBooNE. Αυτή η νέα ανάλυση αντιπροσωπεύει την πρώτη ολοκληρωμένη δοκιμή με χρήση του πλήρους συνόλου δεδομένων πέντε ετών λειτουργίας του MicroBooNE.
Βελτίωση του πειράματος
Το πείραμα MiniBooNE χρησιμοποιούσε έναν ανιχνευτή γεμάτο με ορυκτέλαιο, ο οποίος αναγνώριζε ηλεκτρομαγνητική δραστηριότητα μέσω εκπομπών φωτός Cherenkov – του χαρακτηριστικού γαλάζιου φωτός που παράγεται όταν σωματίδια κινούνται ταχύτερα από το φως μέσα στο ορυκτέλαιο.
Ωστόσο, η τεχνολογία αυτή είχε ένα κρίσιμο μειονέκτημα: την αδυναμία να παρακολουθεί με ακρίβεια μεμονωμένα σωματίδια ή να καθορίσει το αρχικό σωματίδιο που προκάλεσε το ηλεκτρομαγνητικό σήμα.
«Δεν μπορούσαν να διακρίνουν αν ένα ηλεκτρόνιο εκπέμφθηκε άμεσα από την αλληλεπίδραση του νετρίνου ή αν παρήχθη δευτερογενώς από ένα αρχικό φωτόνιο», εξήγησε η Alexandra Trettin, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και συγγραφέας της μελέτης.
Αυτή η ασάφεια ήταν κρίσιμη, καθώς οι ταλαντώσεις νετρίνων, παρότι καλά τεκμηριωμένες, εξελίσσονται πολύ αργά για να εξηγήσουν την παρατηρηθείσα υπεραφθονία, υποδεικνύοντας ότι η ανωμαλία θα μπορούσε να προκύπτει από εσφαλμένα ταξινομημένα σωματίδια υποβάθρου αντί για νέα φυσική.
Το MicroBooNE σχεδιάστηκε ειδικά για να αντιμετωπίσει αυτή την αβεβαιότητα, χρησιμοποιώντας τεχνολογία θαλάμου προβολής χρόνου με υγρό αργό (LArTPC), που επιτυγχάνει χωρική ανάλυση σε κλίμακα χιλιοστού για την ανακατασκευή των τροχιών φορτισμένων σωματιδίων και τον ακριβή προσδιορισμό του είδους τους.
Το πείραμα MicroBooNE
Το MicroBooNE λειτουργεί στην ίδια δέσμη νετρίνων Booster στο Fermilab όπως και το MiniBooNE, σε απόσταση 470 μέτρων από την πηγή νετρίνων. Η προσέγγιση αυτή εξασφαλίζει τη μελέτη της ίδιας ανώμαλης δέσμης νετρίνων με σημαντικά βελτιωμένες μεθόδους ανίχνευσης.
Στην καρδιά του πειράματος βρίσκεται ένας θάλαμος προβολής χρόνου με υγρό αργό (LArTPC), μια τεχνολογία που λειτουργεί σαν μια εξελιγμένη 3D κάμερα για υποατομικά σωματίδια. Φορτισμένα σωματίδια που παράγονται από αλληλεπιδράσεις νετρίνου-πυρήνα αργού ιονίζουν το υγρό αργό κατά τη διέλευσή τους. Ηλεκτρικά πεδία μετακινούν τα ηλεκτρόνια ιονισμού προς επίπεδα συρμάτων που καταγράφουν τις ακριβείς θέσεις τους, δημιουργώντας λεπτομερείς τροχιές που αποκαλύπτουν την πορεία, την ενέργεια και την ταυτότητα κάθε σωματιδίου.
Αυτή η πρόσφατη ανάλυση αποτελεί την πρώτη χρήση του πλήρους συνόλου δεδομένων πέντε ετών λειτουργίας του MicroBooNE, που αντιστοιχεί σε 1,11 × 10²¹ πρωτόνια στον στόχο – αύξηση 70% σε σχέση με προηγούμενες μελέτες.
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε δύο συμπληρωματικές κατηγορίες γεγονότων: αλληλεπιδράσεις που παράγουν ένα ηλεκτρόνιο χωρίς πιόνια, περαιτέρω υποδιαιρεμένες με βάση την παρουσία ορατών πρωτονίων.
«Διαχωρίσαμε τα δείγματα δεδομένων με βάση την παρουσία πρωτονίων και πραγματοποιήσαμε την ανάλυση στα διαχωρισμένα δείγματα και στο συνδυασμένο δείγμα, ώστε να συμπεριλάβουμε όλες τις πιθανές τοπολογίες σημάτων που παρατηρήθηκαν από τον ανιχνευτή MiniBooNE», εξήγησε ο Fan Gao, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Μπάρμπαρα και συγγραφέας της μελέτης.
Ο διαχωρισμός αυτός ήταν κρίσιμος, επειδή τα πρωτόνια ήταν αόρατα στο MiniBooNE λόγω του ότι ήταν πολύ αργά για να παράγουν εκπομπές Cherenkov, ενώ το MicroBooNE μπορούσε να τα εντοπίσει με ακρίβεια.
Δοκιμή της ανωμαλίας
Για να ελέγξουν άμεσα αν η υπεραφθονία MiniBooNE μπορούσε να εξηγηθεί από ηλεκτρονικά νετρίνα, οι ερευνητές ανέπτυξαν δύο εμπειρικά μοντέλα που μετέφραζαν την παρατηρούμενη ανωμαλία σε προβλέψεις για το τι θα έπρεπε να δει το MicroBooNE.
Το πρώτο μοντέλο, που χρησιμοποιήθηκε σε προηγούμενες αναλύσεις, υπέθετε ότι η υπεραφθονία οφειλόταν σε αύξηση της ροής ηλεκτρονικών νετρίνων εξαρτώμενη από την ενέργεια. Η προσέγγιση αυτή αποσυμπίεζε τα δεδομένα του MiniBooNE ως συνάρτηση της ενέργειας των νετρίνων.
Ωστόσο, αυτό το πρώτο μοντέλο είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα. Απέτυχε να αναπαραγάγει με ακρίβεια τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των ηλεκτρομαγνητικών καταιγίδων που παρατήρησε το MiniBooNE, ιδιαίτερα την ενέργεια και την κατεύθυνσή τους.
Η ομάδα ανέπτυξε ένα δεύτερο, πιο εξελιγμένο μοντέλο που εστιάζει στα πραγματικά παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά που μέτρησε το MiniBooNE: την ενέργεια και τη γωνία των ηλεκτρομαγνητικών καταιγίδων.
Τα αποτελέσματα ήταν ξεκάθαρα
Σε σύγκριση με τα δύο μοντέλα σήματος, τα δεδομένα του MicroBooNE δεν έδειξαν καμία ένδειξη που να υποστηρίζει την ερμηνεία της ανωμαλίας MiniBooNE ως ηλεκτρονικά νετρίνα.
«Κάναμε προβλέψεις με και χωρίς την ένταξη του σήματος MiniBooNE και τις συγκρίναμε με τα δεδομένα μας», είπε ο Thorpe. «Τα δεδομένα μας ευνοούν την πρόβλεψη που δεν περιλαμβάνει το σήμα του MiniBooNE, και η ανάλυσή μας δείχνει ότι υπάρχει λιγότερο από 1% πιθανότητα να πρόκειται για στατιστικό λάθος».
Ο αποκλεισμός ήταν ιδιαίτερα ισχυρός για το δεύτερο μοντέλο σήματος, το οποίο απορρίφθηκε με επίπεδο εμπιστοσύνης άνω του 99% σε πολλαπλές κινηματικές μεταβλητές. Η στατιστική σημαντικότητα έφτασε τα 2,9σ για το πρώτο μοντέλο και έως 3,8σ για το δεύτερο – πολύ πάνω από το όριο που θεωρείται σημαντικό στη φυσική σωματιδίων.
Αναπάντητα ερωτήματα
Αν και αυτή η διεξοδική ανάλυση αποκλείει οριστικά την κύρια εξήγηση για την ανωμαλία του MiniBooNE, η υπεραφθονία παραμένει ανεξήγητη, διατηρώντας την πιθανότητα για άλλες αιτίες.
«Η ίδια η ανωμαλία παραμένει μια στατιστικά πολύ σημαντική παρατήρηση που χρειάζεται εξήγηση, και πολλές άλλες υποθέσεις παραμένουν στο τραπέζι», δήλωσε η Trettin.
Αρκετές εναλλακτικές εξηγήσεις βρίσκονται υπό διερεύνηση. Δεδομένης της αδυναμίας του MiniBooNE να διαχωρίσει τα σήματα φωτονίων και ηλεκτρονίων, η υπεραφθονία θα μπορούσε να οφείλεται σε παραγωγή φωτονίων αντί για ηλεκτρόνια.
Εξωτική φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο προσφέρει άλλες ερμηνείες, όπως στερόνια νετρίνα με ανώμαλες αλληλεπιδράσεις ή σωματίδια από υποθετικούς σκοτεινούς τομείς.
«Ορισμένες άλλες φυσικές διαδικασίες που ξεφεύγουν από την τρέχουσα γνώση της φυσικής σωματιδίων μπορούν επίσης ενδεχομένως να προκαλέσουν αυτή την υπεραφθονία. Όλοι αυτοί οι διαφορετικοί τύποι εξηγήσεων ερευνώνται ενεργά από το MicroBooNE και το νέο Πρόγραμμα Μικρής Βάσης του Fermilab», σημείωσε ο Gao.
Μελλοντικά πειράματα
Κοιτώντας προς το μέλλον, ο ανιχνευτής Short Baseline Near Detector (SBND), που βρίσκεται πολύ πιο κοντά στην πηγή νετρίνων, θα προσφέρει σημαντικά περισσότερα δεδομένα για να περιορίσει περαιτέρω τις συστηματικές αβεβαιότητες και να δοκιμάσει τις υπόλοιπες υποθέσεις με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια.
More information: P. Abratenko et al, Search for an Anomalous Production of Charged-Current ve Interactions without Visible Pions across Multiple Kinematic Observables in MicroBooNE, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/x259-z6mf
Journal information: Physical Review Letters