Kleine deeltjes, bekend als neutrino's, zijn een uitstekend hulpmiddel om de innerlijke werking van atoomkernen te bestuderen. In tegenstelling tot elektronen of protonen, neutrino's hebben geen elektrische lading, en ze interageren alleen met de kern van een atoom via de zwakke kernkracht. Dit maakt ze een uniek hulpmiddel om de bouwstenen van materie te onderzoeken. Maar de uitdaging is dat neutrino's moeilijk te produceren en te detecteren zijn, en het is erg moeilijk om de energie te bepalen die een neutrino heeft wanneer het een atoom raakt.

Deze week, een groep wetenschappers die aan het MiniBooNE-experiment bij Fermilab van het Department of Energy werkte, rapporteerde een doorbraak:ze waren in staat om exact bekende muon-neutrino's te identificeren die de atomen in het hart van hun deeltjesdetector raken. Het resultaat elimineert een belangrijke bron van onzekerheid bij het testen van theoretische modellen van neutrino-interacties en neutrino-oscillaties.

"De kwestie van neutrino-energie is zo belangrijk, " zei Joshua Spitz, Norman M. Leff assistent-professor aan de Universiteit van Michigan en co-leider van het team dat de ontdekking deed, samen met Joseph Grange in het Argonne National Laboratory. "Het is buitengewoon zeldzaam om de energie van een neutrino te kennen en hoeveel energie het overbrengt naar het doelatoom. Voor op neutrino gebaseerde studies van kernen, dit is de eerste keer dat het is bereikt."

Voor meer informatie over kernen, natuurkundigen schieten deeltjes op atomen en meten hoe ze botsen en verstrooien. Als de energie van een deeltje groot genoeg is, een kern die door het deeltje wordt geraakt, kan uiteenvallen en informatie onthullen over de subatomaire krachten die de kern aan elkaar binden.

Maar om de meest nauwkeurige metingen te krijgen, wetenschappers moeten de exacte energie weten van het deeltje dat het atoom opbreekt. Dat, echter, is bijna nooit mogelijk bij experimenten met neutrino's.

Net als andere muon-neutrino-experimenten, MiniBooNE gebruikt een straal die muonneutrino's met een reeks energieën omvat. Omdat neutrino's geen elektrische lading hebben, wetenschappers hebben geen "filter" waarmee ze neutrino's met een specifieke energie kunnen selecteren.

Wetenschappers van MiniBooNE, echter, bedacht een slimme manier om de energie te identificeren van een subset van de muonneutrino's die hun detector raken. Ze realiseerden zich dat hun experiment enkele muon-neutrino's ontvangt die de exacte energie van 236 miljoen elektronvolt (MeV) hebben. Deze neutrino's komen voort uit het verval van kaonen in rust, ongeveer 86 meter van de MiniBooNE-detector die uit de aluminium kern van de deeltjesabsorbeerder van de NuMI-bundellijn komt, die werd gebouwd voor andere experimenten bij Fermilab.

Energetische kaonen vervallen tot muonneutrino's met een reeks energieën. De truc is om muonneutrino's te identificeren die ontstaan ​​uit het verval van kaonen in rust. Behoud van energie en momentum vereisen dan dat alle muonneutrino's die uit het kaon-in-rustverval komen precies de energie van 236 MeV moeten hebben.

"Het is niet vaak in de neutrinofysica dat je de energie van het binnenkomende neutrino kent, " zei Richard Van De Water, medewoordvoerder van MiniBooNE van het Los Alamos National Laboratory. "Met de eerste waarneming door MiniBooNE van mono-energetische muonneutrino's van kaonverval, we kunnen de interacties van geladen stroom bestuderen met een bekende sonde die theoretici in staat stelt hun dwarsdoorsnedemodellen te verbeteren. Dit is belangrijk werk voor de toekomstige korte- en lange-baseline neutrino-programma's bij Fermilab."

Deze analyse is uitgevoerd met gegevens die zijn verzameld van 2009 tot 2011.

"Het resultaat is opmerkelijk, " zei Rex Tayloe, co-woordvoerder van de MiniBooNE-samenwerking en hoogleraar natuurkunde aan de Indiana University Bloomington. "We waren in staat om dit resultaat te extraheren dankzij de goed begrepen MiniBooNE-detector en onze eerdere zorgvuldige studies van neutrino-interacties gedurende 15 jaar aan gegevensverzameling."

Spitz en zijn collega's werken al aan het volgende mono-energetische neutrino-resultaat. Een tweede neutrinodetector in de buurt van MiniBooNE, genaamd MicroBooNE, ontvangt ook muon-neutrino's van de NuMI-absorber, 102 meter afstand. Omdat MicroBooNE vloeibare-argontechnologie gebruikt om neutrino-interacties vast te leggen, Spitz is optimistisch dat de MicroBooNE-gegevens nog meer informatie zullen opleveren.

"MicroBooNE zal nauwkeurigere metingen leveren van dit neutrino met bekende energie, " zei hij. "De resultaten zullen buitengewoon waardevol zijn voor toekomstige neutrino-oscillatie-experimenten."

Het MiniBooNE-resultaat werd op 6 april gepubliceerd, 2018, probleem van Fysieke beoordelingsbrieven .