Wetenschappers bestuderen kleine deeltjes, neutrino's genaamd, om te leren hoe ons universum is geëvolueerd. Deze deeltjes, bekend als moeilijk te detecteren, kon het verhaal vertellen van hoe materie het een fractie van een seconde na de oerknal won van antimaterie en, bijgevolg, waarom we hier überhaupt zijn.

Die geschiedenis van een fractie van een seconde doorgronden, betekent de verschillen blootleggen, indien van toepassing, tussen het neutrino en zijn antimaterie-tegenhanger, de antineutrino.

Het MINERvA-neutrino-experiment bij Fermilab heeft onlangs wat details toegevoegd aan de gedragsprofielen van neutrino's en antineutrino's:wetenschappers maten de waarschijnlijkheid dat deze beroemde vluchtige deeltjes zouden stoppen in de MINERvA-detector. Vooral, ze keken naar gevallen waarin een antineutrino interactie in de detector een ander deeltje produceerde, een neutron - dat bekende deeltje dat, samen met het proton, vormt de kern van een atoom.

MINERvA's studies van dergelijke gevallen komen ten goede aan andere neutrino-experimenten, die de resultaten kunnen gebruiken om hun eigen metingen van vergelijkbare interacties te verfijnen.

Het is typisch om de deeltjes te bestuderen die worden geproduceerd door de interactie van een neutrino (of antineutrino) om een ​​​​parel op het gedrag van de neutrino te krijgen. Neutrino's zijn moeiteloze ontsnappingsartiesten, en hun Houdini-achtige aard maakt het moeilijk om hun energie direct te meten. Ze varen overal ongehinderd doorheen - zelfs lood. Wetenschappers worden getipt over de zeldzame neutrino-interactie door de productie van andere, gemakkelijker gedetecteerde deeltjes. Ze meten en tellen de energieën van deze uittredende deeltjes op en meten zo indirect de energie van het neutrino dat alles op gang bracht.

Deze specifieke MINERvA-studie - antineutrino komt binnen, neutronenbladeren - is een moeilijk geval. De meeste postinteractiedeeltjes deponeren hun energie in de deeltjesdetector, sporen achterlaten die wetenschappers kunnen herleiden tot de oorspronkelijke antineutrino (of neutrino, zoals de situatie mag zijn).

Maar in dit experiment het neutron niet. Het houdt vast aan zijn energie, waardoor er bijna geen in de detector achterblijft. Het resultaat is een praktisch onvindbare, niet-verantwoorde energie die niet gemakkelijk in de energieboeken kan worden ingevoerd. En helaas, antineutrino's zijn goed in het produceren van energieabsorberende neutronen.

Onderzoekers halen het beste uit situaties met ontbrekende energie. Ze voorspellen, op basis van andere onderzoeken, hoeveel energie er verloren gaat en corrigeer daarvoor.

Om de wetenschappelijke gemeenschap een op data gebaseerde, voorspellende tool voor ontbrekende energiemomenten, MINERvA verzamelde gegevens uit de slechtste situatie:een antineutrino raakt een kern in de detector en schakelt het niet-traceerbare neutron uit, zodat bijna alle energie die aan de kern wordt gegeven "poef" wordt. (Deze interacties produceren ook positief geladen deeltjes, muonen genaamd, die de antineutrino-interactie signaleren.) Door deze specifieke verdwijnende handeling te bestuderen, wetenschappers konden de effecten van de ontbrekende energie direct meten.

Andere onderzoekers kunnen nu op zoek naar deze effecten, de geleerde lessen toepassen op soortgelijke gevallen. Bijvoorbeeld, onderzoekers van het grootste werkende neutrino-experiment van Fermilab, NOvA, en het Japanse T2K-experiment zal deze techniek gebruiken in hun antineutrino-metingen. En het door Fermilab gehoste internationale Deep Underground Neutrino Experiment, middelpunt van een wereldwijd toonaangevend neutrinoprogramma, zal hier ook van profiteren zodra het in de jaren 2020 begint met het verzamelen van gegevens.

Het geval van neutronenproductie is slechts één type ontbrekende energie-interactie, een van vele. Het model dat uit dit MINERvA-onderzoek naar voren komt, is dus weliswaar onvolmaakt. Er kan geen one-size-fits-all-missing-energy-scenario's-model zijn. Maar het biedt nog steeds een handig hulpmiddel om de energie van een neutrino samen te voegen - en dat is een moeilijke taak, ongeacht welke deeltjes er uit de interactie komen.

"Deze analyse is een geweldig bewijs van zowel het vermogen van de detector om neutrino-interacties te meten als van het vermogen van de samenwerking om nieuwe strategieën te ontwikkelen, ", zegt Fermilab-wetenschapper en MINERvA-medewoordvoerder Deborah Harris. "Toen we met MINERvA begonnen, deze analyse was niet eens een glans in iemands ogen."

Er is een bonus aan deze recente studie, te, een die een vorig jaar uitgevoerd onderzoek ondersteunt.

Voor het eerdere onderzoek MINERvA richtte zich op neutrino (in plaats van antineutrino) interacties die proton-neutronenparen uitschakelden (in plaats van alleenstaande neutronen of protonen). In een detector zoals MINERvA, de energie van een proton is veel gemakkelijker te meten dan die van een neutron, dus de eerdere studie leverde vermoedelijk nauwkeurigere metingen op dan de recente antineutrino-studie.

Hoe goed waren deze metingen? Wetenschappers van MINERvA stopten de waarden van de eerdere neutrino-studie in een model van deze recente antineutrino-studie om te zien wat eruit zou komen. Zie, de aanpassing aan het antineutrino-model verbeterde het vermogen om de gegevens te voorspellen.

De combinatie van de twee onderzoeken geeft de neutrinofysica-gemeenschap nieuwe informatie over hoe goed modellen het doen en waar ze tekortschieten. Zoekopdrachten naar het fenomeen dat bekend staat als CP-schending - het ding dat materie speciaal maakt in vergelijking met antimaterie en het in staat stelde te overwinnen in de post-Big Bang-strijd - hangt af van het vergelijken van neutrino- en antineutrino-monsters en het zoeken naar kleine verschillen. Groot, onbekende verschillen tussen neutrino- en antineutrino-reactieproducten zouden de aan- of afwezigheid van CP-signaturen verbergen.

"We maken ons geen zorgen meer over grote verschillen, en ons neutrinoprogramma kan werken met kleine aanpassingen aan bekende verschillen, " zei de natuurkundige Rik Gran van de Universiteit van Minnesota-Duluth, hoofdauteur van dit resultaat.

MINERvA grijpt in op modellen die, bij elke nieuwe test, om zowel neutrino- als antineutrino-gegevens beter te beschrijven - en dus het verhaal van hoe het universum is ontstaan.

Deze resultaten verschenen op 1 juni 2018, in Fysieke beoordelingsbrieven .