Direct Experimental Constraints on the Spatial Extent of a Neutrino Wavepacket - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Pré-Publication, Document De Travail Année : 2024

Direct Experimental Constraints on the Spatial Extent of a Neutrino Wavepacket

Joseph Smolsky
  • Fonction : Auteur
Kyle G Leach
  • Fonction : Auteur
Ryan Abells
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Pedro Amaro
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Keith Borbridge
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Connor Bray
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Robin Cantor
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David Diercks
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Spencer Fretwell
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Stephan Friedrich
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Abigail Gillespie
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Mauro Guerra
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Ad Hall
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Cameron N Harris
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Jackson T Harris
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Calvin Hinkle
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Amii Lamm
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Geon-Bo Kim
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Inwook Kim
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Annika Lennarz
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Vincenzo Lordi
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Jorge Machado
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Andrew Marino
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David Mckeen
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Francisco Ponce
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Chris Ruiz
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Amit Samanta
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José Paulo Santos
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Caitlyn Stone-Whitehead
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John Taylor
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Joseph Templet
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Sriteja Upadhyayula
  • Fonction : Auteur
Louis Wagner
  • Fonction : Auteur
William K Warburton
  • Fonction : Auteur

Résumé

Despite their high relative abundance in our Universe, neutrinos are the least understood fundamental particles of nature. They also provide a unique system to study quantum coherence in fundamental systems due to their extremely weak interaction probabilities. The quantum properties of neutrinos emitted in experimentally relevant sources are virtually unknown and theoretical predictions for the spatial width of neutrino wavepackets vary by many orders of magnitude. In weak nuclear decay, the size of a neutrino wavepacket, $\sigma_{\nu,x}$, is related to the spatial wavefunction of its parent at production. Here, we present the first direct limits of this quantity through a new experimental concept to extract the energy width, $\sigma_{\textrm{N},E}$, of the recoil daughter nucleus emitted in the nuclear electron capture (EC) decay of $^7$Be. The final state in the EC decay process contains a recoiling $^7$Li nucleus and an electron neutrino ($\nu_e$) which are entangled at their creation. The $^7$Li energy spectrum is measured to high precision by directly embedding $^7$Be radioisotopes into a high resolution superconducting tunnel junction that is operated as a cryogenic charge sensitive detector. The lower limit on the spatial coherence of the recoil daughter was found to be $\sigma_{\textrm{N}, x} \geq 6.2$ pm, which implies the system remains in a spatially coherent state much larger than the nuclear scale. Further, this implies a lower limit on the size of a neutrino wavepacket, $\sigma_{\nu,x} \geq 35$ nm, which is more than five orders of magnitude more stringent than the limits from all combined reactor oscillation experiments. These results have wide-reaching implications in several areas including quantum coherence, the nature of spatial localization at sub-atomic scales, interpretation of neutrino physics data, and the potential reach of future large-scale experiments.

Dates et versions

hal-04557838 , version 1 (24-04-2024)

Identifiants

Citer

Joseph Smolsky, Kyle G Leach, Ryan Abells, Pedro Amaro, Adrien Andoche, et al.. Direct Experimental Constraints on the Spatial Extent of a Neutrino Wavepacket. 2024. ⟨hal-04557838⟩
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