在宇宙中寻找新中微子的开创性发现


伊利诺伊州理工学院物理学副教授布莱斯·利特尔约翰和他的MicroBooNE项目的同事们使用人工智能和深度机器学习来分析他们收集的多年的中微子图像。如果图像中出现了大量具有“阵雨”特征的中微子,就像图中所示的那样,这可能表明存在一种以前未被发现的“贫瘠”中微子。然而,到目前为止,还没有观察到类似的额外事件。信贷MicroBooNE协作

伊利诺斯理工学院物理学副教授布莱斯·利特尔约翰是一个国际科学家小组的成员,该小组对第四种“惰性”中微子存在的流行理论进行了打击。

费米国家加速器实验室今天宣布了这项开创性的研究成果。

中微子有三种已知的“味道”,比原子还小,是宇宙中最丰富的基本组成部分之一。科学家们花了几十年的时间来寻找一种解释,这种意外的迹象表明,中微子在产生和探测的地方会交换味道。一种流行的理论解释了这一结果,假设存在着一种未被发现的第四种“惰性”中微子,这种中微子在性质上甚至比已知的三种类型更可怕。今天,在费米实验室为更好地理解中微子相互作用而建造的强大的中微子探测器MicroBooNE所进行的实验,给这个理论带来了重大的打击。

利特尔约翰说,MicroBooNE就像“一个巨大的数码相机,可以拍摄相机内部中微子相互作用的毫米级精确数字照片。”它使用特殊的光传感器和8000多根连接的电线来捕捉中微子的相互作用。利特尔约翰从2012年开始就在这个项目上工作,他组织安装了探测器的电子系统,用于操作这些电线,并从探测器读取数据。作为振荡组的召集人,他还负责产生新的报告结果的分析组。来自5个国家36个机构的200多名研究人员参与了帮助MicroBooNE实现最新发现的工作。

Littlejohn的伊利诺伊理工大学研究小组一直在使用人工智能和深度机器学习来处理MicroBooNE的图像,以创建详细的中微子交互产品轨迹和身份的图表。这些图像和工具使合作者能够在MicroBooNE图像中区分电子和光子,这是之前实验中缺失的关键信息。

利特尔约翰说:“如果之前的实验是正确的,我们应该能够看到一些新的和疯狂的东西,但我们到目前为止还没有看到任何新的和疯狂的东西。”“新的中微子要么不可能存在,要么看起来与人们预期的不一样。”

尽管这些数据没有显示出第四个中微子存在的证据,但它仍然不能解释先前中微子物理实验中出现的异常现象。MicroBooNE的研究人员将用更多的数据进行后续分析,以测试不同类型的超越标准模型的新物理,而新的更高精度的sbind和ICARUS探测器将于明年在费米实验室上线,以进一步加强MicroBooNE的搜索。

“我们知道,一定有新的物理学存在。否则,例如,我们就不会看到所有这些指向暗物质存在的证据,”利特尔约翰说。“我们在宇宙中看到的暗物质和我们在地球上的高能物理实验室可以制造的奇怪的新粒子类型之间肯定有某种联系。”

伊利诺伊理工大学博士后Ryan Dorrill和本科生Whitmaur Castiglioni与Littlejohn一起参与了这个项目。伊利诺伊理工大学校友芮安(Rui An)和伊万·勒皮蒂克(Ivan Lepetic)在攻读博士期间也与研究团队一起工作。一种开发的算法,用于处理来自MicroBooNE的精美3D图像。利特尔约翰说,这个项目令人兴奋的一点是,包括安在内的科学家使用尖端机器学习工具对图像进行深入、有效的分析,这是肉眼或传统计算机科学工具无法实现的。作为一名粒子物理学家,利特尔约翰说他喜欢用实验的过程来发现宇宙中什么是真实的,什么是不真实的。

“为了得到这个结果,我们付出了很长一段时间的努力,这是非常值得的,因为我们发现了一些全新的东西,而我们不确定我们开始时的答案是什么,”他说。

点击这里了解Littlejohn在MicroBooNE项目中的角色。

有关MicroBooNE结果的更多信息,请点击这里查看费米实验室的新闻稿。

MicroBooNE得到了美国能源部、美国国家科学基金会、瑞士国家科学基金会、英国科学技术设施理事会、英国皇家学会和欧盟的Horizon 2020的支持。

费米国家加速器实验室是美国首屈一指的粒子物理研究国家实验室。费米实验室是美国能源部科学实验室办公室,位于伊利诺伊州芝加哥附近,由费米研究联盟有限责任公司合同运营。请访问费米实验室的网站https://www.fnal.gov,并在Twitter @费米实验室关注我们。

美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,它正在努力应对我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请访问science.energy.gov。

请跟随SpaceRef推特和我们一样脸谱网