Forschung charakterisiert den Abdruck von Neutrinos.

24. Oktober 2023

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Korrektur gelesen von US Department of Energy

Das Neutrino, eines der rätselhaftesten und am wenigsten verstandenen subatomaren Teilchen der Natur, wechselwirkt nur selten mit Materie. Das macht präzise Untersuchungen des Neutrinos und seines Antiteilchens, dem Antineutrino, zu einer Herausforderung. Die stärksten Neutrinoemittenten auf der Erde - Kernreaktoren - spielen eine Schlüsselrolle bei der Erforschung dieser Partikel. Forscher haben das Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT) für detaillierte Untersuchungen von Elektronenantineutrinos entwickelt, die aus dem Kern des High Flux Isotope Reactor (HFIR) stammen.

Nun hat die PROSPECT-Forschungskollaboration die präziseste Messung überhaupt des Energiespektrums von Antineutrinos, die aus der Spaltung von Uran-235 (U-235) emittiert werden, veröffentlicht. Diese Ergebnisse liefern den Wissenschaftlern neue Informationen über die Natur dieser Teilchen.

Die PROSPECT-Kollaborateure bestehen aus über 60 Teilnehmern von 13 Universitäten und vier Nationallaboren. Sie haben ein neuartiges Antineutrino-Detektorsystem entwickelt und es mit umfangreichen, maßgeschneiderten Abschirmungen gegen Hintergrundstrahlung am Forschungsreaktor HFIR, einer Einrichtung des Department of Energy (DOE) Office of Science am Oak Ridge National Laboratory, installiert. Die Forschung konzentriert sich auf Antineutrinos, die aus der Spaltung von U-235 entstehen. Antineutrinos, die durch nuklearen Beta-Zerfall erzeugt werden, sind Antiteilchen zu Neutrinos.

PROSPECT bietet Einblick in die grundlegende Neutrinophysik und ist ein leistungsstolles Werkzeug, um nukleare Prozesse in Spaltreaktoren besser zu verstehen. PROSPECT hat nun die präziseste Messung des Antineutrino-Energiespektrums von U-235 veröffentlicht. Darüber hinaus bietet es neue Einschränkungen für den Ursprung der beobachteten Daten-Modell-Unstimmigkeit. Diese Ergebnisse haben deutlich gemacht, dass bessere Modelle benötigt werden, um die Produktion von Antineutrinos aus spaltbaren Isotopen zu beschreiben. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Wissenschaftler interessieren sich für die Eigenschaften des Neutrinos, weil sie einen direkten Test des Standardmodells der Teilchenphysik darstellen. Dies ist die Theorie, die die Wechselwirkungen zwischen allen fundamentalen Teilchen im Universum beschreibt. Vorschläge für Physik, die nicht durch das Standardmodell erklärt werden, sind aus Unstimmigkeiten zwischen Vorhersagen auf Grundlage des Modells und Daten aus Experimenten entstanden. Bei diesen reaktorbasierenden Experimenten wurden weniger Neutrinos als erwartet detektiert und Inkonsistenzen in einem kleinen Bereich des Energiespektrums festgestellt.

Das neue Ergebnis der PROSPECT-Kollaboration behebt diese Inkonsistenzen direkt, indem es ein neues Referenzenergiespektrum liefert. Es bietet außerdem neue Einschränkungen für den Ursprung der Diskrepanzen zwischen Daten und Modellen.

Experimente, die an Kernreaktoren durchgeführt werden, haben wichtige Meilensteine in der Neutrinophysik erreicht, wie beispielsweise den ersten experimentellen Nachweis des Teilchens und die Bestätigung, dass Neutrinos während ihrer Reise zwischen verschiedenen Typen wechseln. Einzigartige Merkmale wie hohe Intensität und ein kompakter Kern mit hoch angereichertem U-235-Brennstoff machen den HFIR zu einem idealen Ort, um diese langjährige Verbindung zwischen Reaktoren und neuen Erkenntnissen über Neutrinoeigenschaften fortzusetzen.

Journal information: Physical Review Letters

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