Door gegevens te analyseren die meer dan acht jaar geleden zijn verzameld, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Fermi National Accelerator Laboratory hebben een potentieel baanbrekende ontdekking gedaan.

In 2002, wetenschappers begonnen met het Booster Neutrino-experiment, bekend als MiniBooNE, bij Fermilab om meer te leren over hoe neutrino's - zeer licht, neutrale fundamentele deeltjes - interageren met materie. Wetenschappers hebben onlangs de gegevens van het experiment tussen 2009 en 2011 opnieuw onderzocht en ze vonden het eerste directe bewijs van mono-energetische neutrino's, of neutrino's met bepaalde energie, die energiek genoeg zijn om een ​​muon te produceren.

Neutrino's zijn extreem licht en worden alleen beïnvloed door de zwakke subatomaire kracht, dus ze hebben zelden interactie met materie. In feite, ze konden door lichtjaren lood reizen voordat ze ermee in aanraking kwamen. De deeltjes zijn erg moeilijk te detecteren, maar niet moeilijk te maken. Vanwege de ongrijpbaarheid van het neutrino, wetenschappers moeten werken met bundels die zijn samengesteld uit grote aantallen deeltjes. Ze schieten de stralen naar kernen in een detector, in de hoop dat neutrino's in botsing komen met het doelmateriaal.

"Een complicatie van het gebruik van deze grote bundels is dat de energieën van de neutrino's zeer gevarieerd en enigszins onvoorspelbaar zijn, " zei Argonne natuurkundige Joe Grange, een van de wetenschappers die hielp bij het ontdekken van mono-energetische neutrino's. "Dit maakt het moeilijk om de gegevens volledig te interpreteren."

De nieuwe ontdekking zou kunnen helpen bij het oplossen van dit probleem. De wetenschappers realiseerden zich dat mono-energetische neutrino's werden vrijgelaten uit een nabijgelegen neutrino-bundellijn bij Fermilab, en ze besloten om naar de MiniBooNE-gegevens te kijken om te zien of een van deze neutrino's tijdens dat experiment werd gedetecteerd.

Zowaar, analyse van de MiniBooNE-gegevens toonde bewijs van duizenden neutrino-kernbotsingen waarbij de neutrino's allemaal met dezelfde energie begonnen, 236 mega-elektronvolt (MeV). Tijdens het MiniBooNE-experiment, deeltjes genaamd kaonen gemaakt in een protonabsorbeerder van een ander experiment vervallen in deeltjes genaamd muonen en muon-neutrino's. De muonneutrino's reisden vervolgens naar de MiniBooNE-detector. Omdat de kaons in rust waren toen ze vervielen, en omdat ze in slechts twee deeltjes uiteenvielen, de neutrino's hadden allemaal dezelfde hoeveelheid startenergie voordat ze in botsing kwamen met de kernen in de MiniBooNE-detector.

Het verval van een kaon is een bekende reactie. "Met deze ontdekking we kunnen ons begrip van de interactie van neutrino's met materie verbeteren en ook plannen maken voor toekomstige experimenten die deze interactie kunnen gebruiken voor het zoeken naar nieuwe natuurkundige processen, "zei Grange. Het kanaliseren van dit verval als een bron van neutrino's voor experimenten zou de onzekerheid van de neutrino-energieën elimineren, analyses eenvoudiger en mogelijk meer verhelderend maken.

Naast inspirerende toekomstige experimentele opstellingen, de gegevens helpen wetenschappers ook om meer te weten te komen over het gedrag van kernen wanneer ze worden gebombardeerd met neutrino's en kunnen hen helpen modellen van de interacties te verfijnen. Wanneer een muonneutrino botst met een kern in een detector, een muon met een van een reeks verschillende energieën kan eruit springen. Het is dit spectrum van mogelijke energieën van de nieuwe muonen die de wetenschappers direct in deze studie hebben waargenomen, en het spreekt over de manier waarop het neutrino bij contact energie naar de kern overbrengt.

"Er is veel werk verzet door elektronen op kernen te schieten en te zien hoe ze zich elektromagnetisch gedragen, " zei Grange. "Maar er is minder werk gedaan om te zien hoe neutrino's zwak op elkaar inwerken vanwege hoe moeilijk neutrino's zijn om mee te werken."

Het experimentele aspect van deze ontdekking zou wetenschappers ook kunnen helpen bij het zoeken naar het getheoretiseerde steriele neutrino, een neutrino dat alleen interageert door de zwaartekracht en niet door de zwakke kracht. Een experiment in het midden van de jaren negentig in het Los Alamos National Laboratory van DOE leverde neutrinogegevens op die onverenigbaar waren met gegevens van een afzonderlijk experiment in het Europese laboratorium CERN, en die discrepantie zou kunnen worden verklaard door het bestaan ​​van dit "spook"-deeltje.

Het oorspronkelijke doel van het MiniBooNE-experiment was om het bestaan ​​van steriele neutrino's te bevestigen of te weerleggen. Hoewel het experiment mogelijk geen uitsluitsel geeft, de nieuwe ontdekking uit de diepte van zijn gegevens zou toekomstige experimentatoren kunnen helpen om hun bestaan ​​​​te ontdekken. Wetenschappers werken al aan experimenten die neutrino's van dit specifieke kaon-verval zullen gebruiken om steriele neutrino's te zoeken.

"Het is een mooi verhaal over hoe het bijna vijf jaar duurde voordat we ons realiseerden dat er iets belangrijks in de data zat, "zei Grange. "De moraal van het verhaal is om alle gegevens te bewaren en te blijven nadenken over welke andere informatie erin zit die je nog niet hebt geëxtraheerd."

De resultaten van de studie werden gepubliceerd in een paper getiteld "First Measurement of Monoenergetic Muon Neutrino Charged Current Interactions" in Fysieke beoordelingsbrieven .