地球与环境
冰立方的分析对非标准中微子相互作用提出了最普遍的约束

PRISMA的科学家团队+卓越集群引领新出版物

冰立方合作的新闻稿

病了。/©:冰立方协作

深核的示意图

几十年来,物理学家们一直认为,目前描述粒子物理学的最佳理论——“标准模型”——不足以解释宇宙的运行方式。在标准模型(BSM)之外的物理学研究中,一种叫中微子的难以捉摸的粒子可能会为我们指明方向。

中微子有时被称为“幽灵粒子”,因为它们很少与物质相互作用,所以它们几乎可以穿过任何物质。然而,在穿越物质时,它们可能会“慢下来”,这取决于中微子的类型(或“味道”),这被称为“物质效应”。

在许多BSM模型中,由于新的和迄今为止未知的自然力量,中微子与物质有额外的相互作用。不同类型的中微子可能会在不同程度上受到这些相互作用的影响,而由此产生的物质效应的强度取决于中微子所穿过的物质的密度。如果研究人员观察到可以解释为“非标准相互作用”(NSI)的物质效应,这可能会指向新的物理学。

冰立方中微子观测站,是一组嵌入南极冰层的传感器,是为了探测和研究来自外太空的中微子而建造的。但在IceCube的中心是一个更密集的传感器子集,称为DeepCore;这个区域对地球大气中形成的低能中微子非常敏感,这些中微子可能更强烈地受到非标准物质效应的影响。在今天发表在《物理评论D》(Physical Review D)上的一篇论文中,冰立方合作组织讨论了一项分析,在该分析中,他们检查了DeepCore三年的数据,以了解大气中微子是否与物质有额外的相互作用。这一分析限制了所有用于描述NSI的参数,这是对早期分析的一个改进,之前的分析只限制了IceCube最敏感的NSI区域。

新物理学的重要使者

“大气中的中微子是一个很好的探测器,可以测试中微子是否有NSI,因为它们直接穿过地球,包括它的中心,那里有非常高的物质密度,”德国美因茨大学的研究生、该出版物的负责人Elisa Lohfink说。物质密度的变化直接改变了中微子的振荡模式——即中微子改变其味道的方式,或者说“振荡”——从而改变了到达南极探测器的中微子的味道。IceCube DeepCore对这些物质效应非常敏感,因为它每年都探测到大量的大气中微子。

在这项由美因茨大学研究生托马斯·艾哈特领导的分析中,研究人员观察了中微子的振荡模式,从四面八方来到DeepCore并确定它们是否匹配标准模型的期望或显示效果从任何五个有效的参数测量多少一个中微子味道相互作用比标准模型。研究人员可以通过测试振荡模式与不同的NSI情景的匹配程度来约束有效的NSI参数。

首先,Ehrhardt和他的合作者一次检查一个有效的参数,得出上图所示的结果。完全自由自伤分别进行研究。由于分析很大程度上独立于任何具体的基础模型,研究人员能够约束NSI,而不依赖于一个模型是正确的。

研究人员能够对五种可能的NSI参数分别设定一个灵敏度,至少可以与世界上的综合极限相媲美,这是一项被Lohfink描述为“前所未有”的成就。研究人员说,更重要的是,他们发现IceCube可以探测到符合所有参数的模型。美因茨大学(University of Mainz)教授塞巴斯蒂安(Sebastian Böser)说:“据我们所知,世界上没有其他实验可以通过一次测量就做到这一点。”“在中微子领域,我们可以限制一系列前所未有的新物理模型。”这一结果是对IceCube之前只考虑一个参数的分析的重大改进。

研究人员希望中微子群体的其他成员能够接受这些结果,并将它们纳入全球范围。Lohfink和她的合作者已经在进行后续分析,使用的是更大的数据样本——8年的数据而不是3年的数据——而且灵敏度更高。他们希望不久能有一个更好的限制。

“从长远来看,冰立方的升级将真正改变这类分析的游戏规则,”Böser说。“升级不仅能提供更好的校准,减少系统不确定性的影响,而且还能让我们更好地解决中微子振荡,从而更清楚地看到标准模型的潜在偏差。”我真的很兴奋!”

出版

R. Abbasi等人,利用IceCube DeepCore三年的数据对非标准中微子相互作用和广义物质势的全风格约束,物理学。修订版D 104、15。Oktober 2021

DOI: 10.1103 / PhysRevD.104.072006

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