Timp de mai bine de un secol, oamenii de știință au fost fascinați de posibilitatea ca dimensiunile spațiale ascunse, minuscule, să influențeze fizica lumii noastre tridimensionale familiare. Cu toate acestea, în ciuda deceniilor de căutări experimentale, nu există încă dovezi concrete ale acestor dimensiuni suplimentare. Acum, un studiu recent propune o modalitate de a avansa această căutare: utilizarea viitorului Experiment cu neutrini subteran adânc (DUNE) pentru a sonda aceste dimensiuni ascunse prin comportamentul neutrinilor.
Neutrinii sunt printre cele mai evazive particule din univers, ceea ce le-a câștigat porecla „particule fantomă.” Există trei tipuri cunoscute – sau „arome” – de neutrini, fiecare cu o masă de miliarde de ori mai mică decât cea a unui electron. Aceste particule sunt remarcabile prin capacitatea lor de a se transforma – sau de a oscila – în diferite arome pe măsură ce călătoresc prin spațiu, chiar și fără a interacționa cu alte particule.
Studierea neutrinilor cu DUNE
DUNE este un viitor experiment de oscilație a neutrinilor, bazat în Illinois și Dakota de Sud. „În acest experiment, neutrinii sunt generați de un accelerator de particule la Fermilab [in Illinois]parcurgeți o distanță de 1.300 de kilometri [800 miles]și sunt observate folosind un detector subteran masiv în Dakota de Sud”, Mehedi Masudprofesor la Universitatea Chung-Ang din Coreea de Sud și coautor al studiului, a declarat Live Science prin e-mail.
Configurația experimentală este ideală pentru studierea oscilațiilor neutrinilor. Neutrinii creați în coliziunile Fermilab – în primul rând neutrini muoni (una dintre cele trei arome) – vor traversa Pământul pentru a ajunge la detectorul Dakota de Sud. Pe parcurs, se așteaptă ca unele dintre aceste particule să se transforme în celelalte două arome: neutrini electronici și neutrini tau.
Observând modul în care diferitele arome evoluează în timpul călătoriei lor, oamenii de știință de la DUNE speră să dezlege câteva întrebări fundamentale în fizica neutrinilor, cum ar fi ierarhia maselor de neutrini, parametrii precisi care guvernează oscilația și rolul pe care l-ar fi putut juca neutrinii în crearea materiei-antimaterie. dezechilibru în univers.
Studiul, publicat în Journal of High Energy Physics în noiembrie, propune că comportamentul enigmatic al neutrinilor ar putea fi explicat dacă, pe lângă familiarele trei dimensiuni ale spațiului, există dimensiuni spațiale suplimentare la scara micrometrilor (milioane de metru). Deși mici după standardele de zi cu zi, astfel de dimensiuni sunt remarcabil de mari în comparație cu scalele femtometrului (o cvadriliune dintr-un metru) tipice pentru particule subatomice.
„Teoria dimensiunilor suplimentare mari, în primul rând propus de Arkani-Hamed, Dimopoulos și Dvali în 1998, sugerează că spațiul nostru tridimensional familiar este încorporat într-un cadru dimensional superior” de patru sau mai multe dimensiuni, a explicat Masud. „Motivația principală pentru această teorie este de a aborda de ce gravitaţie este mult mai slabă decât celelalte forțe fundamentale din natură. În plus, teoria dimensiunilor suplimentare mari oferă o explicație potențială pentru originea maselor mici de neutrini, un fenomen care rămâne neexplicat în Modelul standard al fizicii particulelor.”
Dacă există dimensiuni suplimentare, ele ar putea modifica subtil probabilitățile de oscilație a neutrinilor în moduri detectabile de DUNE, potrivit autorilor studiului. Aceste distorsiuni ar putea apărea ca o ușoară suprimare a probabilităților de oscilație așteptate și ca mici „mișcări” oscilatorii la energii mai mari de neutrini.
În acest studiu, autorii au considerat cazul unei singure dimensiuni suplimentare. Efectele unei dimensiuni suplimentare sunt determinate în primul rând de dimensiunea acesteia. Această dependență creează o oportunitate pentru cercetători de a investiga prezența unor astfel de dimensiuni analizând cum neutrini interacționează cu materia din detector. Dimensiunea suplimentară influențează probabilitățile de oscilație ale neutrinilor, care, la rândul lor, pot dezvălui indicii valoroase despre existența și proprietățile sale potențiale.
„Am simulat câțiva ani de date despre neutrini din experimentul DUNE folosind modele de calcul”, a spus Masud. „Prin analizând atât efectele de energie scăzută, cât și cele de mare energie ale dimensiunilor suplimentare mari asupra probabilităților de oscilație a neutrinilor, am evaluat statistic capacitatea lui DUNE de a limita dimensiunea potențială a acestor dimensiuni suplimentare, presupunând că acestea există în natură”.
Analiza echipei sugerează că experimentul DUNE va fi capabil să detecteze o dimensiune suplimentară dacă dimensiunea sa este de aproximativ o jumătate de micron (o milioneme dintr-un metru). DUNE este în prezent în construcție și este de așteptat să înceapă colectarea datelor în jurul anului 2030. După câțiva ani de funcționare, datele acumulate vor fi probabil suficiente pentru o analiză cuprinzătoare a teoriei dimensiunilor suplimentare mari. Echipa se așteaptă ca rezultatele acestei analize să fie disponibile în aproximativ un deceniu de acum înainte.
În plus, ei cred că, în viitor, combinarea datelor de la DUNE cu alte metode experimentale – cum ar fi experimentele de coliziune sau observațiile astrofizice și cosmologice – va îmbunătăți capacitatea de a investiga proprietățile dimensiunilor suplimentare cu o mai mare precizie și acuratețe.
„În viitor, încorporarea intrărilor din alte tipuri de date ar putea înăspri și mai mult aceste limite superioare, făcând descoperirea unor dimensiuni suplimentare mari mai plauzibilă, dacă acestea ar exista în natură”, a spus Masud. „Dincolo de a fi o cale interesantă pentru o nouă fizică, potențiala prezență a unor dimensiuni suplimentare mari ar putea ajuta, de asemenea, DUNE să măsoare necunoscutele standard în fizica neutrinilor mai precis, fără influența efectelor nesocotite.”
Comentarii recente