Platforma e Inovacionit heton sesi eksperimenti NOvA në Fermilab po punon për të përcaktuar rolin e grimcave misterioze të neutrinos.
Neutrinot janë grimca të vogla nënatomike dhe janë grimcat më të bollshme të materies në Univers. Pavarësisht nga kjo, megjithatë, ato kanë shumë pak ndërveprim me materiet e tjera dhe shpesh quhen ‘grimca fantazmë’ si rezultat. Aktualisht, dihet pak për këto grimca misterioze të neutrinos dhe rolin që ato luajnë në evolucionin e kozmosit.
Eksperimenti NOvA (NuMI Off-axis v e Appearance), i menaxhuar nga Laboratori Kombëtar i Përshpejtuesit Fermi pranë Çikagos, punon për të hedhur dritë mbi këto grimca të pakapshme . Fermilab dërgon një rreze neutrinosh 500 milje në veri në një detektor 14,000 tonësh në lumin Ash, Minesota. Duke matur neutrinot dhe partnerët e tyre antimateries, antineutrinot, në të dyja vendet, fizikanët mund të studiojnë se si këto grimca ndryshojnë llojin e tyre ndërsa udhëtojnë – një fenomen i njohur si lëkundje neutrino.
NOvA synon të zbulojë më shumë rreth renditjes së masave të neutrinos. Fizikantët e dinë se ekzistojnë tre lloje neutrinash me masa të ndryshme, por nuk e dinë masën absolute dhe as cila është më e rënda. Modelet teorike parashikojnë dy renditje të mundshme masive: Normale ose të përmbysura. Në renditjen normale, ka dy neutrino të lehta dhe një neutrino më të rëndë. Në të përmbysur, ka një neutrino të lehtë dhe dy më të rënda.
Eksperimenti është një bashkëpunim i mbi 200 shkencëtarëve, inxhinierëve, studentëve të diplomuar dhe studentëve universitarë nga 50 institucione të ndryshme në tetë vende të ndryshme, duke përfshirë SHBA-në, Britaninë e Madhe, Rusinë, Indinë, Turqinë, Kolumbinë, Brazilin dhe Republikën Çeke.
Për të mësuar më shumë rreth qëllimeve të eksperimentit NOvA dhe progresit të fundit, redaktori Maddie Hall foli me bashkë-zëdhënëset e NOvA Patricia Vahle, profesoreshë e fizikës në William & Mary dhe Alex Himmel, shkencëtar në Fermilab.
A mund të përshkruani eksperimentin NOvA dhe objektivat e tij?
NOvA është një eksperiment i gjatë lëkundjeje bazë i fokusuar në studimin e grimcave të neutrinos të prodhuara në Fermilab.
Fillimisht, neutrinot krijohen në një përshpejtues përpara se rrezja të matet në dy vende të ndryshme. I pari është detektori i afërt i vendosur në Fermilab, i cili vepron si kontrollues dhe mundëson analizën e rrezes përpara se të pësojë ndonjë ndryshim. Neutrinot më pas udhëtojnë nëpër Tokë, duke mbuluar një distancë prej 810 km dhe arrijnë në detektorin tonë shumë më të madh, larg, të vendosur në Minesotën veriore që zbulon rrezen më të përhapur. Matjet nga dy detektorët krahasohen, duke synuar të identifikojnë ndryshimet në shpërndarjen e energjisë dhe aromës së neutrinos. Në mënyrë të veçantë, eksperimenti vëzhgon çdo ndryshim në numrin e neutrinos në nivele të ndryshme energjetike dhe shpërndarjen e llojeve të ndryshme të neutrinos – elektron, muon ose neutrinot tau. Këto ndryshime janë dëshmi e lëkundjeve të neutrinos.
Matjet e sakta të mënyrës se si neutrinot dhe antineutrinot luhaten na tregojnë ndryshimet në masat në katror të neutrineve dhe sa shumë neutrinot pëlqejnë të përzihen. Ne gjithashtu shpresojmë të mësojmë renditjen e masave të neutrinos dhe nëse neutrinot dhe antineutrinot lëkunden në të njëjtën mënyrë. Nëse nuk e bëjnë, atëherë neutrinot mund të jenë duke shkelur simetrinë e barazisë së ngarkesës (CP).
Rregullimi i rrymës që kalon nëpër elementët tanë të fokusimit na mundëson t’i kryejmë këto matje duke përdorur si neutrinot ashtu edhe antineutrinot. Lëkundjet e neutrinos dhe antineutrinos mund të krahasohen më pas për të marrë matjet e nevojshme.
Cila është rëndësia e lëkundjeve të neutrinos në kërkimin e fizikës së grimcave?
Neutrinot janë grimca themelore, që do të thotë se ato nuk mund të ndahen në përbërës më të vegjël. Ato janë gjithashtu grimca e materies më e bollshme në Univers, por njohuritë për vetitë e tyre janë të kufizuara, duke përfshirë masën e tyre, e cila është një nga gjërat më domethënëse për të mësuar rreth një grimce.
Megjithëse neutrinot duhet të kenë masë për t’iu nënshtruar lëkundjeve, masa e saktë është aq e vogël sa nuk është matur ende. Ne e dimë se ndryshimi në masë midis dy neutrinove është i vogël, ndërsa ndryshimi tjetër në masë është relativisht i madh, por nuk e dimë renditjen e këtyre dallimeve. Mund të ndodhë që ne kemi dy neutrino të lehta dhe një neutrino më të rëndë, që është renditja normale e masës, ose mund të rrotullohet, me një neutrino të lehtë dhe dy neutrino më të rënda – renditja e masës së përmbysur. Të kuptuarit e renditjes së masës është një element i rëndësishëm për të kuptuar procesin me të cilin neutrinot marrin masën e tyre dhe pse masat e tyre janë kaq të vogla.
Përtej të mësuarit se si sillet neutrinoja, ne duam të mësojmë edhe më shumë për forcën e dobët. Shumica e grimcave të tjera kanë lloje të shumëfishta ndërveprimesh, që do të thotë se forca e dobët shpesh është e vështirë për t’u studiuar, pasi shpesh është në hije. Në mënyrë unike, neutrinot ndërveprojnë ekskluzivisht përmes forcës së dobët. Megjithëse kjo do të thotë se ndërveprimet janë të rralla, ato gjithashtu ofrojnë një mundësi të shkëlqyer për të kuptuar forcën e dobët në izolim.
Prej shumë kohësh, fizika e grimcave është fokusuar në përpjekjen për të kuptuar kufizimet e Modelit Standard të fizikës së grimcave. Modeli Standard ka qenë shumë i suksesshëm në përshkrimin e të gjitha grimcave dhe forcave të njohura dhe ka bërë parashikime shumë të sakta. Megjithatë, pranohet gjerësisht se ky model nuk është i plotë dhe nuk mund të llogarisë fenomene me energji shumë të lartë.
Qëllimi kryesor i fizikës së grimcave është të zbulojë atë që qëndron përtej Modelit Standard dhe të kuptojë nivelin më të thellë të grimcave dhe forcave themelore. Kërkohen prova eksperimentale për të përcaktuar se cila nga teoritë e shumta është e saktë.
Lëkundjet e neutrinos përfaqësojnë dëshmi bindëse laboratorike të fizikës që nuk shpjegohen nga Modeli Standard. Ndërsa kjo dëshmi nuk ofron një plan të qartë për një model të ri, është thelbësore të studiohet sepse ofron treguesin më të fortë deri më tani se ka aspekte të fizikës që nuk llogariten nga modeli standard.
Ekipi NOvA prezantoi gjetjet kryesore të fundit në konferencën Neutrino 2024 në Itali në qershor. A mund të detajoni rëndësinë e këtyre rezultateve?
Fizikanët e grimcave po hetojnë nëse grimcat e neutrinos shkelin një koncept themelor të njohur si simetria e barazisë së ngarkesës (CP). Kjo simetri përfshin ndryshimin e të gjitha grimcave në antigrimcat e tyre përkatëse dhe vëzhgimin nëse ligjet fizike mbeten të njëjta kur shihen në një pasqyrë.
Kuptimi i kësaj është vendimtar sepse, në Universin e hershëm, mendohet se u prodhuan sasi të barabarta të materies dhe antimateries. Në ditët e sotme, kur shikojmë jashtë në Univers, ne shohim shumë materie, por jo shumë anti-materies. Kjo krijon dy pyetje të rëndësishme. Së pari, ku shkoi e gjithë antimateria e pritur? Së dyti, pse mbetet ndonjë çështje për të krijuar galaktika, yje, planetë dhe jetë siç e njohim ne? Përgjigja e këtyre pyetjeve mund të varet nga studimi i shkeljes së simetrisë së barazisë së ngarkesës në neutrinot.
Fatkeqësisht, eksperimentet tona kanë treguar se renditja në masë dhe shkelja e simetrisë së barazisë së ngarkesës kanë efekte të ngjashme. Rezultatet e fundit të paraqitura në konferencën Neutrino 2024 sugjerojnë se aktualisht nuk është e mundur të bëhet dallimi midis ndikimeve të porositjes masive dhe shkeljes së CP. Nëse urdhërimet masive dhe shkeljet e PK lëvizin në të njëjtin drejtim, është e qartë se ato lëvizin së bashku. Megjithatë, nëse ato lëvizin në drejtime kundërbalancuese, është e pamundur të thuhet se cili prej tyre po lëviz në cilën mënyrë. Rrjedhimisht, mund të jemi në një situatë me renditje normale në masë dhe shumë pak shkelje të CP ose edhe simetri CP. Nga ana tjetër, mund të bëhet fjalë për një urdhërim masiv të përmbysur me shkelje të konsiderueshme të CP.
Eksperimenti NOvA nuk është i vetmi që përpiqet t’i përgjigjet pyetjeve të porositjes masive dhe shkeljes së CP. Kolegët tanë në Japoni, të cilët po punojnë në eksperimentin T2K, po priren drejt një skenari ku të dy efektet lëvizin së bashku, duke treguar një renditje normale dhe një sasi të konsiderueshme të shkeljes së CP. Nëse rezultatet e NOvA do të përputheshin me ato të tyre, do të kishim qenë më të sigurt në kuptimin tonë të këtyre parametrave. Megjithatë, siç qëndron, me vetëm dy matje dhe dallime mes tyre, këto pyetje mbeten pa përgjigje dhe mund të vazhdojnë të jenë një mister në gjeneratën e ardhshme të eksperimenteve.
Neutrino 2024 paraqiti një tjetër rezultat domethënës nga NOvA – matja më e saktë e ndarjeve në masë më të madhe nga një eksperiment i vetëm. Saktësia e kësaj matjeje është tani në nivelin 1.5%. Arritja e aftësisë për të matur këto parametra me saktësi nën 2% shënon një arritje të rëndësishme në terren.
Si i qaset bashkëpunimi saktësisë në NOvA?
Eksperimenti ka dyfishuar numrin e neutrinos në grupin tonë të të dhënave, duke rritur ndjeshëm saktësinë statistikore të matjeve tona. Bashkëpunimi mbledh të dhëna si për neutrinot ashtu edhe për antineutrinot, dhe në vitin 2024, ne prezantuam dyfishin e sasisë së të dhënave të neutrinos. Vëmendja tani po i drejtohet dyfishimit të të dhënave tona antineutrino, gjë që do të na japë fuqi shtesë për të interpretuar gjetjet.
Më shumë të dhëna do të mundësojnë matje më të sakta. Për shkak të sasisë së vogël të neutrinos fillimisht të pranishme dhe probabilitetit të ulët që neutrinot muonore të shndërrohen në neutrino elektronike, numrat e përfshirë janë shumë të vegjël.
Megjithatë, lëkundjet e neutrinos parashikojnë një model specifik të sjelljes në energji dhe vija të ndryshme bazë, kështu që kombinimi i matjeve me vija të ndryshme bazë është një mjet i fuqishëm për të konfirmuar modelin e lëkundjeve. Tashmë, rezultatet nga studimet e neutrinos së reaktorit janë integruar në analizën NOvA. Ka ose do të ketë eksperimente të reja përshpejtuesish në vija bazë më të shkurtra (T2K, Hyper-K) dhe një vijë bazë më të gjatë (DUNE), dhe shikimi i lëkundjeve të qëndrueshme në të gjitha këto eksperimente do të ishte konfirmim i fuqishëm i modelit të lëkundjeve. Nëse, nga ana tjetër, eksperimentet nuk pajtohen në baza të ndryshme, kjo mund të na drejtojë drejt diçkaje të re përtej modelit të lëkundjes.
NOvA është një bashkëpunim i madh ndërkombëtar. Pse është kaq i rëndësishëm bashkëpunimi në këtë hulumtim?
Bashkëpunimi është thelbësor për shkak të shkallës së detektorëve tanë dhe ndërtimi i një infrastrukture kaq masive kërkon punë të gjerë ekipore. Projekte të tilla si DUNE kërkojnë fonde dhe kontribute nga shumë vende për të ndërtuar pajisjet e nevojshme për kërkimin shkencor. Është gjithashtu thelbësore të kemi një grup të ndryshëm shkencëtarësh bashkëpunues. Ky diversitet mundëson këndvështrime dhe zgjidhje të ndryshme për problemet, duke çuar në rezultate të përmirësuara shkencore nga eksperimentet tona.
Çfarë sfidash hasni kur kryeni një eksperiment si ky?
Sfida themelore në studimin e neutrinos është rrallësia e ndërveprimeve të tyre. Në detektorin tonë të largët, ne jemi me fat që zbulojmë një neutrino në ditë. Çdo neutrino është jashtëzakonisht e çmuar, që do të thotë se është thelbësore për të maksimizuar aftësinë e zbulimit. Kjo arrihet kryesisht në tre mënyra:
- Rritja e fuqisë së rrezes: Prodhimi i sa më shumë neutrinos është thelbësor për mbledhjen e të dhënave. Në qershor, Fermilab vendosi një rekord të ri me rrezen e tij të fuqishme, duke prodhuar një rreze prej një megavat – një moment historik mbresëlënës për rrezet e neutrinos.
- Qëndrimi dhe funksionimi: Mbajtja e një funksionimi konstant të detektorit është jetike, me staf gjatë gjithë orarit dhe një ekuipazh të përgjegjshëm në gatishmëri që kontribuon në kohën e funksionimit të eksperimentit prej 98%. Detektorët tanë gjithashtu mund të zbulojnë supernova, kështu që ne synojmë t’i mbajmë ato të funksionojnë vazhdimisht, edhe në mungesë të rrezes së neutrinos, në rast të shfaqjes së një supernova.
- Eliminimi i ndërhyrjeve në sfond: Ndryshe nga burimet tipike të jashtme, ndërhyrja jonë kryesore e sfondit vjen nga neutrinot e tjera në rreze që nuk kanë informacionin e nevojshëm të lëkundjes. Për të adresuar këtë sfidë, ne kemi zbatuar Rrjetet Neurale Convolutional, një teknikë e fundit e vizionit kompjuterik, duke na mundësuar të maksimizojmë analizën e të dhënave.
Dy detektorët gjithashtu duhet të menaxhohen ndryshe për shkak të vendndodhjes dhe kërkesave të tyre. Detektori i largët është më i madh dhe ndodhet në një zonë të largët. Kështu, pranë detektorit ka staf të përkushtuar dhe profesional të vendosur për t’u kujdesur për të.
Nga ana tjetër, detektori i afërt është më i vogël dhe ndodhet në Fermilab. Studentët e diplomuar dhe doktorët që punojnë në eksperiment zakonisht trajtojnë punën e harduerit për këtë detektor. Për shembull, përmirësimet e fundit në detektorin e afërt, që përfshin zëvendësimin e pjesës më të madhe të elektronikës, u kryen kryesisht nga studentët e eksperimentit. Avantazhi i madhësisë më të vogël të detektorit të ri është se ai nuk ka nevojë për staf të përkushtuar për mirëmbajtje dhe ka shumë njerëz me ekspertizën e nevojshme në dispozicion për të ndihmuar.
Cilat janë hapat e ardhshëm për eksperimentin NOvA në lidhje me mbledhjen dhe analizën e të dhënave?
Hapi tjetër është të dyfishojmë të dhënat tona antineutrino, të cilat tashmë janë duke u zhvilluar. Kjo pritet të vazhdojë deri në fund të NOvA, që është fundi i vitit kalendarik 2026. Megjithëse eksperimenti është i pjekur dhe nuk pret rritje të ndjeshme të performancës, ne synojmë të nxjerrim çdo pakëz të përmirësimit të ndjeshmërisë së mundshme. Një numër përmirësimesh janë zbatuar në lidhje me zbulimin e aktivitetit të lidhur me një neutrino që ndërvepron në detektorin tonë, si dhe në modelet tona se si ato neutrino ndërveprojnë në detektorin tonë. Për më tepër, ne po eksplorojmë përdorim më të gjerë të teknikave të mësimit të makinerive për të rritur saktësinë e matjeve tona.
Aktualisht jemi duke punuar në disa programe të fizikës. Përveç studimit të neutrinos së supernovës, ne po matim gjithashtu seksionin kryq të ndërveprimeve të neutrinos në detektorin tonë afër. Këto të dhëna nuk janë të vlefshme vetëm për eksperimentin tonë, por edhe për eksperimentet e ardhshme. Duke mbledhur një mori të dhënash mbi ndërveprimet e neutrinos, mund të nxirren seksione tërthore nga variabla të ndryshëm kinematikë.
Për më tepër, ne jemi duke kërkuar për më shumë fenomene ekzotike, të tilla si zbulimi i lëndës së errët të prodhuar në rrezen tonë dhe kalbja përpara se të arrijmë në detektorin tonë. Një botim i kohëve të fundit në këtë fushë kishte të bënte me një kërkim për ndërveprime jo standarde. Modeli i lëkundjes mund të mos jetë aq i thjeshtë sa mendohej dikur, dhe ndërveprimet jo standarde mund të ofrojnë një version alternativ. Ndërsa matjet u kryen për të vlerësuar përputhjen e të dhënave tona me modelin, nuk u gjetën prova të forta.
Bashkëpunimi mbetet entuziast për eksperimentin. 72 studentë të doktoraturës dhe master që aktualisht i janë përkushtuar punës së tyre në këtë eksperiment pasqyrojnë nivelin e lartë të interesit që vazhdon në studimin e lëkundjeve të neutrinos. Me rezultate emocionuese të parashikuara në vitet e ardhshme, sigurohuni që të qëndroni të përditësuar për përparimin tonë./innovationnews/
