OPERAの実験データでは、さらに5つのタウニュートリノが見つかりました。今は10個あります

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Anonim
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タウニュートリノと帯電電流との相互作用によって生成された粒子の軌跡

OPERAグループは、2008年から2012年にグランサッソのニュートリノ検出器で収集されたデータの最終分析の結果を公開しました。より正確な分析の助けを借りて、科学者はミューニュートリノのタウニュートリノへの変換に対応するこれらのデータの10のイベントを識別し、これらのタイプのニュートリノの質量差の2乗と相互作用の断面積を測定することができました。充電された電流を持つタウニュートリノ、およびタウニュートリノが負のレプトン数を持っていることも確認します。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

標準模型では、ニュートリノの質量は正確にゼロです。それにもかかわらず、前世紀の終わりに(そして後の世紀に)行われた実験は、実際にはニュートリノが絶えず振動していること、つまり、あるタイプから別のタイプに変換されることを示しました。そのため、太陽内部の熱核反応で生まれた電子ニュートリノは、地球に飛んでいる間に何度もミューオニックニュートリノとタウニュートリノに変化し、その結果、検出器はさまざまな種類のニュートリノのほぼ同じフラックスを記録します。標準模型で予測されているように、ニュートリノの質量が実際にゼロである場合、そのような振動は不可能です。この矛盾により、科学者は新しい理論モデルを開発し、実際にはニュートリノ振動をより綿密に研究する必要があります。

特に、グランサッソ(イタリア)にあるOPERA検出器は、CERNのSPS超シンクロトロンでのプロトンビームの衝突の結果として生成され、検出器に向かう途中でタウニュートリノに変わるミューニュートリノを研究するように設計されています。 。このスキームに従って形成された粒子のエネルギーは平均して17ギガエレクトロンボルトです。したがって、ニュートリノは光速に近い速度で移動し、実質的に変換する時間がありません(ジュネーブとグランサッソの間を2.4ミリ秒強飛行します)。 。それにもかかわらず、ミューニュートリノのごく一部はまだそれらのタイプを変更する時間があり、そのようなイベントは数年の観測にわたって見ることができます。

「とらえどころのない」粒子の種類を捕らえて決定するために、OPERA検出器は、約13×10×7センチメートル、重さ約8.3キログラムの1,500枚の鉛板を使用し、31列に結合して写真フィルムを敷き詰めています。ニュートリノが鉛原子核と衝突すると、帯電したWボソンを交換し(いわゆる帯電電流)、その結果、プレートの体積に新しい粒子が生まれ、写真に記録されます。フィルムと磁気検出器を使用して追跡。これにより、それらの軌道を追跡し、核と相互作用したニュートリノのタイプを確立することが可能になります。

タウニュートリノは、特徴的な崩壊トポロジーが他のタイプとは異なり、1つの荷電粒子(電子、ミューオン、またはハドロン)または3つのハドロンを残します。生成された粒子の運動学的パラメータを測定し、それらを相互に関連付けることにより、検出器のどのポイントで、どのような減衰の結果としてそれらが現れたかを知ることができます。残念ながら、検出器で行われるべき他のいくつかのプロセス(たとえば、チャームドハドロンの崩壊)も同様の粒子の生成につながり、タウニュートリノに対応するイベントの一般的なフラックスからの分離を妨げます。 2008年から2012年に収集されたデータの以前の分析では、科学者は5つの確実に検出されたタウニュートリノを報告しました。この間、CERNの加速器でほぼ1、8×1020個の陽子が衝突し、OPERA検出器の体積に19505個のニュートリノが記録されました。新しい論文では、物理学者は多変量アプローチを使用して同じデータのより深い分析を行いました。これにより、タウニュートリノに対応するさらに5つのイベントを識別し、イベントの総数を10にすることができました。6つのケースでは、ニュートリノはハドロンに、3つのケースでは、3つのハドロンに、別のケースではミューオンに変わりました。一般に、これらの結果は、検出器内の反応数の理論的推定値と一致しています。

ニュートリノに関する統計が2倍になることで、科学者は振動の原因となるいくつかのパラメーターを改良することができました。たとえば、2種類と3種類の物理学のニュートリノの質量の差の二乗は、Δm232≈(2、7±0、6)×10-3平方電子ボルトとして推定され、測定された断面積は帯電した電流を介したタウニュートリノの相互作用は、σ≈(5、1±2、2)×10-36平方センチメートルと推定されます。これらの結果は両方とも、GENIEプログラムを使用した理論計算と以前の多数の測定結果と一致していますが、OPERA実験は、「エマージング」モード(外観モード)で測定が行われた最初の実験です。また、この実験では、タウニュートリノとは独立してタウニュートリノが観測され、物理学者が初めて粒子のレプトン数を直接測定できるようになりました。約3.7σの統計的有意性で、タウニュートリノは負のレプトン数を持っていることが判明しました。

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タウニュートリノと帯電電流(青い線)および理論的推定値(赤い線)との相互作用の測定断面積。青は、すべてのニュートリノの68パーセントが落ちるエネルギー範囲を示しています。グラフはまた、ニュートリノフラックス強度のエネルギーへの依存性を示しています(灰色の線)

2015年、梶田隆明とアーサー・マクドナルドに「ニュートリノに質量があることを証明するニュートリノ振動の発見」でノーベル物理学賞が授与されました。ニュートリノ振動の発見の理論的説明と歴史についての詳細は、私たちの資料「Hはニュートリノを意味します」にあります。

2011年9月、OPERA実験は、CERNの線源とグランサッソの検出器の間の距離(約730 km)を物理法則より60ナノ秒速く飛んだ超光速ニュートリノの検出を報告しました。この発見は物理学のコミュニティで大きな騒動を引き起こしましたが、後で「ダミー」であることが判明しました。機器を注意深く再確認した後、科学者は、ケーブル接続が不十分なために粒子の飛行時間が過小評価され、遅延が発生したことを発見しました。クロック信号で。その結果、センセーショナルであるが誤った結果を公表することを主張したプロジェクトマネージャーのAntonioEreditatoと科学コーディネーターのDarioAutieroはオフィスから除かれました。

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