บาคาร่า ส่วนเกินลึกลับของนิวตริโนบ่งบอกถึงการมีอยู่ของอนุภาคใหม่

การทดลอง MiniBooNE พบปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคย่อยของอะตอม บาคาร่า มากกว่าที่คาดไว้อนุภาคเสียงแหลมที่เรียกว่านิวตริโนกำลังเสียมากกว่าที่นักวิทยาศาสตร์ได้ต่อรองไว้

เครื่องตรวจจับอนุภาคพบอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีน้ำหนักเบาและคู่ปฏิสสารของพวกเขาอย่าง antimatter นักฟิสิกส์รายงานวันที่ 30 พฤษภาคมที่ arXiv.org การค้นพบนี้สะท้อนถึงนิวตริโนส่วนเกินที่พบมากว่าสองทศวรรษที่ผ่านมา และการจับคู่นั้นทำให้นักวิจัยสงสัยว่าอนุภาคชนิดใหม่ที่เรียกว่านิวตริโนปลอดเชื้อ ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีเงามากกว่านิวตริโนสามัญที่เข้าใจยากที่มีชื่อเสียงอาจมีขนาดใหญ่

อนุภาคดังกล่าว หากมีอยู่จริง 

จะเปลี่ยนรากฐานของฟิสิกส์อนุภาคและสามารถช่วยไขปริศนาเกี่ยวกับจักรวาลได้ เช่น การมีอยู่ของสสารมืด ซึ่งเป็นสารเฉื่อยที่ไม่สามารถระบุได้ซึ่งประกอบขึ้นเป็นความเหนือกว่าของสสารในจักรวาล

การศึกษาครั้งใหม่ได้ดำเนินการโดยใช้เครื่องตรวจจับนิวตริโนที่เรียกว่า MiniBooNE ในขณะที่มีการค้นพบนิวตริโนส่วนเกินก่อนหน้านี้ด้วยอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน นั่นคือ Liquid Scintillator Neutrino Detector ซึ่งดำเนินการในปี 1990 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอส อาลามอสในนิวเม็กซิโก “เรามีเครื่องตรวจจับที่แตกต่างกันมากสองเครื่อง … และเราได้ผลลัพธ์ที่เหมือนกัน” นักฟิสิกส์ MiniBooNE En-Chuan Huang จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos กล่าว

คำแนะนำของนิวตริโนส่วนเกินได้แสดงให้เห็นในผลลัพธ์ก่อนหน้านี้จาก MiniBooNE ซึ่งเปิดดำเนินการมาตั้งแต่ปี 2545 ที่ Fermilab ในเมืองบาตาเวีย รัฐอิลลินอยส์ แต่การวิจัยใหม่นี้มีข้อมูลมากเป็นสองเท่า ทำให้น้ำท่วมนิวทริโนแข็งแกร่งเกินกว่าจะมองข้ามไป

นักฟิสิกส์บางคนยังสงสัยว่าสัญญาณส่วนเกินนั้นมาจากนิวตริโนจริง ๆ หรือไม่ “เหตุการณ์…มีจริง คำถามคือ พวกมันคืออะไร?” Jonathan Link นักฟิสิกส์นิวตริโนแห่งเวอร์จิเนียเทคในแบล็กส์เบิร์กกล่าว ส่วนเกินของนิวทริโนที่เห็นได้ชัดอาจเป็นปลาเฮอริ่งแดง: อนุภาคอื่นๆ สามารถโต้ตอบในลักษณะที่เลียนแบบนิวตริโน

นิวตริโนมีอยู่สามประเภทที่รู้จัก ได้แก่ อิเล็กตรอนนิวตริโน มิวออน นิวตริโน และ เทา นิวตริโน ซึ่งตั้งชื่อตามอิเล็กตรอนและลูกพี่ลูกน้องที่หนักกว่าอีก 2 ตัว ได้แก่ มิวออนและเทาส์ น่าแปลกที่นิวตริโนสามารถเปลี่ยนจากชนิดหนึ่งไปอีกชนิดหนึ่งได้ อนุภาคที่เกิดเป็นมิวออนนิวตริโนอาจถูกตรวจพบในภายหลังว่าเป็นอิเล็กตรอนนิวตริโน ( SN: 1/26/13, p. 18 )

ในการทดลองครั้งใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำลายมิวออนนิวทริโนและแอนตินิวตริโนที่ MiniBooNE และมองหาอนุภาคที่แปรสภาพเป็นอิเล็กตรอน ใช้ถังน้ำมันแร่ขนาดใหญ่ที่ติดตั้งเครื่องตรวจจับแสงที่มีความละเอียดอ่อน MiniBooNE มองหาแสงวาบเล็กๆ ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนนิวตริโนและแอนตินิวตริโน นักวิจัยเห็นปฏิสัมพันธ์ 2,437 ครั้ง มากกว่าที่คาดการณ์ไว้ประมาณ 460 ครั้ง

ส่วนเกินนี้อาจบ่งบอกถึงการมีอยู่ของนิวตริโนปลอดเชื้อ 

ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงวิธีที่นิวตริโนเปลี่ยนจากประเภทหนึ่งไปอีกประเภทหนึ่ง ทำให้มิวออนนิวตริโนแปรสภาพเป็นอิเล็กตรอนมากกว่าที่คาดไว้ แม้ว่านิวตริโนธรรมดาจะไม่ค่อยโต้ตอบกับสสาร แต่นิวตริโนที่ปลอดเชื้อจะไม่โต้ตอบเลย ยกเว้นโดยผ่านแรงโน้มถ่วง

นิวตริโนปลอดเชื้อได้รับการเสนอให้เป็นตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับสิ่งที่ประกอบเป็นสสารมืด แต่เพื่ออธิบายผลลัพธ์ของ MiniBooNE นิวตริโนที่ปลอดเชื้อจะต้องค่อนข้างเบา — อ่อนแอเกินกว่าจะอธิบายสสารมืดได้ นักจักรวาลวิทยา Kevork Abazajian จาก University of California, Irvine กล่าว “บางครั้งมีคนบอกว่าพวกมันเหมือนแมลงสาบ: ถ้าคุณมีนิวตริโนปลอดเชื้อหนึ่ง [ประเภท] คุณมีหลายอย่าง”

พฤติกรรมที่ไม่เหมาะสมของนิวทริโนอื่นๆ ได้แสดงให้เห็นในการทดลองที่วัดค่าแอนตินิวตริโนของอิเล็กตรอนที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การทดลองเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์น้อยกว่าที่คาดไว้ ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่สามารถอธิบายได้ด้วยนิวตริโนปลอดเชื้อ ( SN: 3/19/16, หน้า 14 ) แต่มีความไม่สอดคล้องกัน: นิวตริโนปลอดเชื้อควรทำให้เกิดการขาดดุลของมิวออนนิวตริโนในการทดลองอื่น ๆ แต่ยังไม่มีใครเห็น นั่นหมายความว่าคำอธิบายน่าจะซับซ้อนกว่าการมีนิวตริโนปลอดเชื้อชนิดเดียว

ยังไม่ชัดเจนว่าผลลัพธ์ต่างๆ จากการทดลองนิวตริโนต่างๆ เข้ากันได้อย่างไร สำหรับตอนนี้ การศึกษาใหม่ทำให้นักฟิสิกส์งง Kate Scholberg นักฟิสิกส์นิวทริโนจาก Duke University กล่าวว่า “จริงๆ แล้วฉันไม่รู้ว่าจะทำอย่างไร” แต่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เธอกล่าวว่า “จะเคี้ยวมันอย่างบ้าคลั่ง”

รังสีคอสมิกถูกตรวจพบบนโลกด้วยพลังงานสูงมาก และเป็นปริศนาว่ากลไกของจักรวาลชนิดใดที่สามารถหมุนรอบอนุภาคได้จนถึงสุดขั้วเหล่านั้น นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Floyd Stecker จาก NASA Goddard กล่าวว่า “นี่อาจเป็นเบาะแสถึงที่มาของมัน แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่า blazars สามารถเร่งโปรตอนให้มีพลังงานสูงสุดเท่าที่สังเกตได้หรือไม่ เขากล่าว

เป็นที่ทราบกันว่า รังสีคอสมิกพลังงานสูงสุดมาจากนอกทางช้างเผือก ( SN: 10/14/17, p. 7 ) แต่โดยทั่วไปแล้ว รังสีคอสมิกทิ้งร่องรอยของแหล่งกำเนิดไว้เพียงเล็กน้อย: ขณะเดินทางผ่านอวกาศ วิถีของพวกมันจะบิดเบี้ยวด้วยสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจึงไม่ชี้กลับไปยังแหล่งที่มาของพวกมันอย่างน่าเชื่อถือ

ในทางกลับกัน นิวตริโนมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็ก โดยเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจากแหล่งกำเนิดสู่โลก เนื่องจากรังสีคอสมิกพลังงานสูงและนิวตริโนถูกผลิตขึ้นร่วมกัน อนุภาคจึงสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจรังสีคอสมิกได้เช่นกัน Olinto กล่าว “สิ่งที่นิวตริโนให้เราคือทางผ่านหมอก” บาคาร่า