위대한 중성미자 퍼즐이 다수의 누락 된 입자를 가리키고 있습니까?

1993 년, 뉴 멕시코의 Los Alamos National Laboratory의 Deep Underground는 버스 크기의 석유 탱크 내부의 약간의 빛이 아직 결론에 도달하지 못하는 탐정 이야기를 시작했습니다.

액체 신틸 레이터 중성미자 검출기 (LSND)는 중성미자에 의해 생성 된 방사선 버스트, 모든 알려진 기본 입자 중 가장 가볍고 가장 애매 모호한 방사선을 찾고 있었다. 실험의 리더 중 한 사람인 빌 루이스는“우리의 놀랍게도 우리가 본 것입니다.

문제는 그들이 너무 많이 보았다는 것입니다. 이론가들은 중성미자가 다양한 천문학적 관찰을 설명하는 가설 인 유형 사이에서 진동 할 수 있다고 가정했다. LSND는 오일 탱크를 향한 세 가지 유형 중 하나 인 Muon Neutrinos의 빔을 조준하고 그곳에 도착한 전자 중성미자의 수를 계산 하여이 아이디어를 테스트하기 시작했습니다. 그러나 루이와 그의 팀은 중성미자 진동의 단순한 이론보다 훨씬 더 많은 전자 중성미자가 탱크에 도착하는 것보다 훨씬 더 많은 전자 중성미자를 감지했습니다.

그 이후로 수십 개의 더 많은 중성미자 실험이 구축되었으며, 각각은 마지막보다 더 웅장합니다. 산에서, 폐기 된 채굴 동굴과 남극 아래의 얼음에서 물리학 자들은이 악명 높은 미끄러운 입자들에게 성당을 세웠다. 그러나 이러한 실험은 모든 각도에서 중성미자를 조사함에 따라 입자의 행동 방식에 대한 상충되는 그림을 계속 생성했습니다. 루이스는“음모는 계속 두껍게된다

“매우 혼란스러운 이야기입니다. 하버드 대학교의 중성미자 물리학자인 카를로스 아르 엘스-델 가도 (Carlos Argüelles-Delgado)는 이렇게 말했다. Jorge Luis Borges의 1941 년 제목에 대한 단편 소설에서 시간은 무한한 수의 가능한 미래로 분기됩니다. 중성미자를 통해 모순 된 결과는 이론가들에게 다양한 경로를 내려 놓았으며, 어떤 데이터를 신뢰할 것인지 확신하지 못하고 어느 쪽이 길을 잃을 지 확신 할 수 없습니다. Argüelles-Delgado는“다른 탐정 이야기와 마찬가지로 단서를보고 잘못된 방향으로 던져 버립니다.

LSND 이상에 대한 가장 간단한 설명은 새로운 규칙에 따라 모든 중성미자 유형을 혼합하는 멸균 중성미자라고 불리는 새로운 네 번째 종류의 중성미자의 존재였습니다. 멸균 중성미자는 뮤온 중성미자가 오일 탱크까지의 짧은 거리에 걸쳐 전자 중성미자로 더 쉽게 진동 할 수 있도록합니다.

그러나 시간이 지남에 따라 멸균 중성미자는 다른 실험의 결과에 맞지 않았습니다. Argüelles-Delgado는“우리는 챔피언 이론을 가지고 있었지만 문제는 다른 곳에서 비참하게 실패한다는 것이 문제였습니다. "우리는 숲에 매우 깊었고 나올 필요가있었습니다."

물리학 자들은 자신의 발걸음을 되돌려 놓기 위해 힌트와 절반의 결과의 뒤에있는 것을 다시 생각하고 있습니다. 최근 몇 년 동안, 그들은 멸균 중성미자보다 더 복잡한 새로운 이론을 고안했지만, 정확한 경우, 중성미자 진동 데이터 및 기타 주요 물리학의 이상을 동시에 해결하는 물리학에 철저히 혁명을 일으킬 것입니다. 적어도, 새로운 모델은 암흑 물질을 설명 할 수있는 무거운 추가 중성미자, 보이지 않는 물건은 정상적인 물질보다 4 배 더 풍부한 것처럼 보이는 은하계입니다.

이제 시카고 근처의 Fermi National Accelerator Laboratory의 Microboone 실험에 의해 어제 발표 된 4 개의 분석과 South Pole의 Icecube Detector의 최근 연구는 이러한 더 복잡한 중성미자 이론이 올바른 길을 가고 있다고 제안합니다. 미래는 분명하지 않습니다.

Argüelles-Delgado는“나는 무언가가 공중에있는 것 같은 느낌이 든다. "이것은 발견을 향한 매우 긴장된 환경입니다."

절망적 인 치료법

Wolfgang Pauli가 1930 년에 중성미자의 존재를 가정하여 방사성 부패 중에 에너지가 사라지는 곳을 설명했을 때, 그는 그것을“절망적 인 치료법”이라고 불렀습니다. 그의 이론적 구성은 질량이나 전하가 없었기 때문에 실험이 그것을 감지 할 수 있을지 의심했다. 그는 당시 그의 일지에“이론가가 할 수없는 일이다. 그러나 1956 년에 LSND와는 달리 실험에서 중성미자는 그곳에있었습니다.

물리학 자들이 입자의 자연 공급원 인 태양에서 나오는 중성미자를 감지했을 때 승리는 곧 혼란에 빠졌고 별의 핵 반응의 이론적 모델에 의해 예측 된 수의 절반 미만을 발견했습니다. 1990 년대에는 중성미자가 이상하게 행동하고 있음이 분명했습니다. 태양 중성미자가 신비하게 사라지는 것처럼 보일뿐만 아니라 우주의 광선이 상부 대기와 충돌 할 때 지구에 떨어지는 중성미자도 마찬가지였습니다.

이탈리아 물리학 자 Bruno Pontecorvo가 앞서 제안한 한 가지 해결책은 중성미자가 모양 시프터라는 것입니다. 많은 기본 입자와 마찬가지로 전자, 뮤온 및 타우 중성미자의 세 가지 유형으로 제공됩니다. 따라서 Pontecorvo는 사라지는 행동을 취하지 않고 중성미자가 여행하는 동안이 종들 사이에서 변형 될 수 있다고 제안했습니다. 예를 들어 태양에 의해 휘젓는 전자 중성미자 중 일부는 뮤온 중성미자로 변할 수 있으므로 사라지는 것처럼 보입니다. 시간이 지남에 따라 이론가들은 태양과 하늘에서 나오는 데이터와 일치하는 에너지와 여행 거리에 따라 중성미자가 유형간에 어떻게 진동하는지에 대한 설명에 귀를 기울였습니다.

그러나 모양이 이동하는 중성미자라는 생각은 많은 물리학 자들이 위장하기가 어려웠습니다. 수학은 세 개의 중성미자 종 각각이 세 가지 다른 질량의 양자 기계 혼합 인 경우에만 작동합니다. 즉, 모양-교대는 중성미자가 질량을 가져야한다는 것을 의미합니다. 그러나 입자 물리학의 표준 모델, 알려진 기본 입자와 힘을 설명하는 잘 테스트 된 방정식 세트는 명백하게 중성미자를 질량이없는 것으로 간주합니다.

태양과 분위기는 복잡하므로 LSND는 전용 중성미자 소스로 만들어져 모양 이동의보다 명확한 증거를 찾습니다. 연구원들은 곧 그것을 발견했습니다. 루이스는“우리는 매주 후보를 받고있었습니다. 1995 년 뉴욕 타임즈 첫 페이지에서 실험의 모양이 이동하는 중성미자에 대한 이야기를 실행했습니다.

LSND 실험의 비평가들은 탐지기의 오류 원인과 천연 중성미자 소스의 가능한 간섭을 지적했다. 중성미자가 진동하고 LSND의 숫자를 대량으로 불신한다는 생각을 뒷받침 한 과학자들조차도 유추 된 진동 속도가 태양과 대기 중성미자에 의해 암시 된 속도를 과도하게 만들었 기 때문입니다. 태양 및 대기 데이터는 Neutrinos가 3 개의 알려진 중성미자 종들 사이에서만 진동한다는 것을 제안했다. 네 번째로, 멸균 중성미자는 전자, 뮤온 및 타우 중성미자를 원자와 함께 달리안으로 밧줄로 묶는 힘을 느끼지 않아야하기 때문에 명명되어 LSND의 데이터에 더 잘 맞습니다.

SNO, Super-K 및 Kamland라고 불리는 1990 년대 후반과 2000 년대 초반의 일련의 결정적인 중성미자 진동 실험은 3 개의 뉴 트리노 진동 모델을 강력하게 지원하여 일부 연구자들에게 노벨상을 수상했습니다. 추정 네 번째, 멸균 중성미자는 그림자에 숨어있었습니다.

이상 체이서

이상은 종종 실험에서 자르고 추가 조사에서 사라지므로 많은 연구자들이 처음에는 무시합니다. 그러나“자랑스러운 이상 체이서”이자 매사추세츠 기술 연구소 교수 인 자넷 콘래드 (Janet Conrad)는 그러한 특성을 벗어납니다. “우리는 지저분한 사람들입니다. 우리는 혼란을 신경 쓰지 않습니다. 사실, 우리는 그것을 즐깁니다.”그녀는 최근에 줌 오버에게 말했다.

콘래드가 1993 년에 박사 학위를 마치고있을 때, 대부분의 입자 물리학 자들은 콜라이드에서 일하면서 파편들 사이에서 새로운 것을 만들기 위해 입자를 함께 강타했습니다. 표준 모델의 모든 미러 이미지 입자 세트를 예측하는 초대칭과 같은 아름답고 모든 포괄적 인 이론은 보그에 있었다. 중성미자 진동의 미묘함은 그렇지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 Conrad는 LSND의 결과에 흥미를 느꼈으 며 추구하기로 결정했습니다. “자연이 나에게 말하기를 원합니다. 자연을 자연에게 말하고 싶지 않아요.”라고 그녀는 말했다.

90 년대 후반, Conrad와 그녀의 변칙적 인 동료들은 LSND 탐지기로 올라가서 1,000 개 이상의 호박색 센서를 조심스럽게 꺼내서 두꺼운 오일을 닦아내고 새로운 중성미자 탐지기에 설치했습니다. 그녀는“우리는이 요가 매트를 가졌다. “작은 호박색 달의 우주와 같았습니다. 오, 너무 아름다웠습니다.”

LSND 의이 수프 버전은 2002 년부터 2019 년까지 데이터를 수집했습니다. 5 년 동안 장기적으로 미니 보네는 비슷한 비정상적인 중성미자 진동 속도를보기 시작하여 LSND 결과가 우연이 아니며 여분의 가벼운 중성미자가 모두 존재할 수 있음을 시사합니다.

그러나 미니 보온이 진행되는 동안 다른 실험이 시작되었습니다. 각각은 서로 다른 중성미자 이동 거리와 에너지를 탐색하여 이것이 모양 변화에 어떤 영향을 미쳤는지 확인했습니다. 그들의 결과는 LSND뿐만 아니라 미니 보네와 모순되는 3- 옥양나 모델을 확인하는 것처럼 보였습니다.

멸균 중성미자의 죽음

이상 체이서는 경로에서 포크에 왔으며, 표지판은 반대 방향으로 가리 켰습니다. 더 많은 증거는 4 명보다 3 개의 중성미자의 존재를지지했다. 그런 다음 멸균 중성미자의 또 다른 타격은 플랑크 우주 망원경에서 나왔습니다.

2013 년에 Planck는 우주에 대한 엄청나게 상세한 사진을 찍었습니다. 그 당시 우주 전자 레인지라는 그 당시의 희미한 방사선을 감지함으로써 빅뱅 이후에 나타났습니다. 이 원시적 인 빛에 대한 Planck의 그림은 우주 학자들이 초기 우주에 대한 그들의 이론을 급진적으로 세부적으로 테스트 할 수있게 해주었다.

초기 우주에서 중성미자는 매우 활기차고 우주가 얼마나 빨리 확장되었는지에 큰 영향을 미쳤을 것입니다. Planck의 우주 전자 레인지 배경 데이터의 확장 속도를 추론함으로써 연구원들은 젊은 우주를 채우는 중성미자의 수를 추정 할 수있었습니다. 데이터는 세 가지 유형이 있다고 제안했습니다. CERN의 이론적 물리학자인 Joachim Kopp는이과 다른 우주적 관찰“네 번째 중성미자 종의 존재를 굳게 배제했다”고 말했다.

2018 년까지 모든 사람들은 게임이 시작되었다는 데 동의했습니다. 독일 하이델베르크에서 열린 중성미자 물리 컨퍼런스에서 미켈레 말토니 (Michele Maltoni)는 그랜드 강당에 서서 멸균 중성미자의 죽음을 발표했습니다. Argüelles-Delgado는 이렇게 회상했다.

Maltoni의 프레젠테이션은 Neutrino 이론가들에게 새로운 아이디어가 필요하다는 모닝콜이었습니다. Argüelles-Delgado는 그의 Borges 은유로 돌아와서“앞으로 나아가는 길은 고장났다”고 말했다. “그래서 지금 우리는 어떻게 조종합니까?”

그와 그의 동료들은 멸균 중성미자에 대한 아이디어가 설립 된 가정을 다시 방문하기 시작했습니다. “우리는 항상 물리학 에서이 Occam의 면도기 접근 방식을 가지고 있습니까? 우리는 가장 간단한 가정으로 시작했는데, 이는이 진동 행동을 제외하고는 아무것도하지 않는 단일 새로운 입자였습니다.”라고 그는 말했습니다. “아마도 어리석은 가정이었을 것입니다.”

어두운 섹터

지난 3 년 동안, 중성미자 물리학 자들은 자신의 비밀 세력을 통해 서로 상호 작용할 수있는 다수의 추가 중성미자의 가능성을 점차 고민하고있다. 보이지 않는 입자 의이 "어두운 섹터"는 전자, 쿼크 및 기타 표준 모델 입자의 것과 유사한 복잡한 상호 관계를 가질 수 있습니다. 캐나다 워털루의 이론 물리학 연구소의 이론적 물리학자인 Matheus Hostert는“이 어두운 부문이 풍부하고 복잡 할 가능성이 있습니다.

모델에 비밀 힘을 추가하면 초기 우주에서 생산 된 중성미자의 수를 억제함으로써 플랑크 망원경이 제시 한 장애물을 피할 수 있습니다. 그리고 많은 기능을 가진 어두운 부문은 한 번에 우리의 이해에 많은 구멍을 막을 수 있습니다. 1990 년대 중성미자가 미사를 가지고 있다는 사실 이래로, 이론가들은 중성미자가 은하를 가득 채우는 것처럼 보이는 엄청난 양의 암흑 물질을 설명 할 수 있는지 궁금해했다. 그들은 곧 알려진 3 개의 중성미자가 그렇게하는 데 필요한 덩어리 근처에 없다고 결론지었습니다. 그러나 중성미자가 더 큰 중성미자가 존재한다면 - 일부 무거운 가족이 존재한다면 -

보이지 않지만 유익한 어두운 부문에 대한 아이디어는 새로운 것이 아니지만 이러한 모델의 수는 폭발했습니다. 이 연구는 하나의 우산 아래에서 암흑 물질과 중성미자 이상의 이질적인 문제를 제기합니다. Argüelles-Delgado는“수렴이있었습니다.

풍부하고 복잡한 어두운 부문은 오늘날의 우주가 예상보다 빠르게 확장되는 이유, 허블 장력으로 알려진 현상과 은하계가 단일의 불활성 입자 인 경우에 만족하지 않는 이유에 대한 솔루션을 제공 할 수 있습니다. 프린스턴 대학교의 천체 물리학 자 크리스티나 크레 이쉬 (Christina Kreisch)는“여기서 암흑 물질의 물리학을 바꾸는 것은 실제로 이러한 유형의 우주 론적 긴장에 영향을 미칠 것입니다.

모델은 오래된 아이디어로 공명합니다. 예를 들어, 매우 무거운 중성미자의 존재는 수십 년 전에 알려진 3 개의 중성미자의 수수께끼가 작은 덩어리를 설명하기 위해 처음으로 가정되었습니다. (“시소 메커니즘”에서, 알려진 가벼운 중성미자와 무거운 중성미자의 질량은 역 관계를 가질 수 있습니다.) 빅뱅 이후 무거운 중성미자 순간의 붕괴는 우주에서 안티 라트보다 훨씬 더 중요한 이유로 제안 된 후에 제안되었습니다. Kopp.

올해 초 Argüelles-Delgado, Conrad 및 몇몇 공동 작업자들은 곧 Dark Sector 모델을 제안했으며 곧 Physical Review d 에 출판 될 예정입니다. , 여기에는 다른 질량의 3 개의 중성미자가 포함됩니다. 그들의 모델은 심한 중성미자 붕괴와 가벼운 것의 진동을 통한 LSND 및 미니 보네 데이터를 설명합니다. 또한 Seesaw 메커니즘을 통한 우주의 물질-항체 비대칭 인 Neutrino Mass의 기원을 설명 할 공간이 남아 있습니다.

이상 체이서는 미니 보온 실험에서 결함을 고려하여 새로운 모델을 고안했습니다. 전자 중성미자로 생성 된 신호와 특정 입자 붕괴로 생성 된 신호를 구별 할 수 없습니다. 이로 인해 유형간에 진동하는 경량 중성미자 외에도 중성미자가 감지기 내부에서 부패하여 신호의 풍부함을 설명 할 가능성이 있습니다.

새로운 실험 결과는 그 이야기에 적합합니다. Fermilab의 Microboone 실험은 결함을 수정하기 위해 재구성 된 미니 보온의 후속 조치 인 물리 검토 편지 에보고 할 것입니다.  그 멸균 중성미자만으로는 미니 보네 이상을 설명 할 수 없습니다. 그러나 결과는 미니 보네 사건의 절반만이 중성미자 진동으로 인한 가능성과 일치합니다. Microboone은 최근에 친숙한 표준 모델 입자의 붕괴가 나머지 사건을 거의 설명 할 수 없다고보고했습니다. 미니 보네 (Miniboone) 내부의 어두운 부문에서 무거운 입자가 부패 할 가능성은 내년에 Microboone의 다음 릴리스에서 결정될 것입니다.

물리학 자들은 또한 오래된 경로를 다시 추적하여 기존 데이터에 대해 어두운 섹터 모델을 확인하고 있습니다. 예를 들어, 남극 아래의 얼음에 깊이있는 5,000 킬로미터의 5,000 개의 탐지기 배열 인 IceCube 실험의 팀은 2016 년부터 얼음을 통과하는 멸균 중성미자의 징후가 없다는 일련의 주장을 발표했습니다. 그러나 이번 달 초에 게시 된 분석에 따르면, 멸균 중성미자가 다른 보이지 않는 입자로 부패 할 수 있다면, 아이스 큐브 데이터는 실제로 그들의 존재를 선호합니다. 팀의 전체 분석은 아직 발표되지 않았으며 연구자들은 확실히 말하기 전에이 평가의 필요성을 강조합니다.

마지막으로, 모든 중성미자 진동 실험을 함께 간주하는 분석도 멸균 멸균 중성미자에 대한지지를 찾습니다.

보이지 않는 입자의 덩어리의 존재에 대한 대담한 주장은 대담한 증거를 요구하며, 모든 사람이 확신하는 것은 아닙니다. 중성미자 대중 시소 모델의 제작자 중 한 명인 Ludwig Maximilian University of Munich의 Goran Senjanović는“저는 모든 변정에 대항하여 베팅하고 있습니다. Senjanović는 실험적인 놀라움을 설명하기 위해 점점 더 많은 입자를 제시하는 대신, 우리는 확립 된 이론에 의해“우선적으로”, 매우 성공적인 표준 모델을 넘어서 가장 작은 단계 만 취해야한다고 말했다.

그러나 포킹 경로의 정원에서는 미니멀리즘과 단순성에 대한 추정이 종종 잘못된 것으로 판명되었습니다. 표준 모델은 전자, 뮤온 및 타우 중성미자가 그렇지 않은 것을 제외하고는 질량이 없다고 예측합니다. 이론가들은 한때이 중성미자가 질량을 가지고 있다면, 그렇지 않은 것을 제외하고는 암흑 물질을 설명하기에 충분해야한다고 생각했다. 아마도 표준 모델의 훨씬 더 정교한 확장이 필요할 것입니다. 콘래드와 같은 물리학 자들은 단서에 대한 이상을 쫓는 이점을 강조합니다.

문제는 이제 가상의 어두운 부분에 접근하는 방법이 어둡다는 것입니다. Pauli는 감지 할 수없는 입자를 발명하는 것은 이론가가하지 말아야 할 일이라고 조언했다. 다행스럽게도 물리학 자들은 친숙한 3 명의 친숙한 중성미자를 통해 보이지 않는 세상의 속삭임을들을 수 있습니다. 뉴욕 대학교의 입자 물리학자인 닐 와이너 (Neal Weiner)는“중성미자는 그 자체로는 근본적으로 어두운 입자입니다. "표준 모델의 다른 입자 중 어느 것도 할 수없는 다른 어두운 입자와 상호 작용하고 혼합하는 능력이 있습니다."

다가오는 중성미자 실험은 어두운 부분으로의 포털을 열 수 있습니다. MicroboOne에 이어 Fermilab의 SBND 및 Icarus 실험은 곧 여러 거리와 에너지에서 중성미자 진동을 켜고 프로브로, 진동의 전체 패턴을 명확하게합니다. 한편 Fermilab의 사구 실험은 더 무거운 어두운 섹터 입자에 민감 할 것입니다. Conrad는“중성미자가 Lithium-8과 같은 방사성 소스에서 뿌려진 것을 신중하게 시청하는 실험은 현재 결과의 뒤죽박죽에 대한 대안적인 견해를 제공 할 것이라고 Conrad는 말했다.

Icecube도 특이한 유리한 지점을 제공합니다. 이 실험은 우주 광선이 지구 대기와 충돌 할 때 생성되는 매우 활기찬 중성미자를 감지 할 수 있습니다. 이 중성미자는 아이스 큐브 내부의 입자에 흩어져 미니 보네 내부에서 부패하는 것으로 의심되는 이국적인 무거운 것들로 변형 될 수 있습니다. IceCube 가이 산란과 중성미자의 무거운 붕괴가 어느 정도 떨어져있는 것을 보았다면,이“더블 뱅”시그니처는“새로운 입자에 대한 매우 강력한 증거 일 것”이라고 Hostert.

이러한 가능성은 어두운 부문을“취침 시간 이야기뿐만 아니라”라고 말했다. 그러나 어두운 부문이 존재하고 친숙한 중성미자가 중개자 역할을하더라도 숨겨진 내용을 밝힐 수있을 정도로 링크가 강력하다는 보장은 없습니다. 미시간 대학교 (University of Michigan)의 조쉬 스피츠 (Josh Spitz)는“무거운 [중성미자]가 합리적인 실험에 완전히 접근 할 수 없을 수도 있습니다.

LSND부터 시작하여 자른 각 중성미자 이상이 자체적으로 평범한 설명을 가질 수 있다는 것은 그럴듯하게 남아 있습니다. Conrad는“아마도 그들 모두가 잘못되었을 수도 있고 그들이 서로 관련이있는 것처럼 보이는 것은 엄청나게 운이 좋지 않습니다. “자연이 매우 잔인 할 것입니다.”

Argüelles-Delgado는 결국 미로를 빠져 나가는 것에 대해 낙관적입니다. "과학은 무대에 들어가서 갑자기 무언가가 스냅됩니다"라고 그는 말했습니다. “나는 단서를 축적하고 질문하고 있습니다. 일부 정보는 다른 정보보다 더 신뢰할 수 있습니다. 당신은 혼자서 판단해야합니다.”