Een experiment bij het Fermilab van het Department of Energy heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt in de detectie van neutrino's die zich verbergen bij lagere energieën.

Het ArgoNeuT-experiment heeft onlangs voor het eerst aangetoond dat een bepaalde klasse deeltjesdetector - diegene die vloeibare argon gebruikt - signalen kan identificeren in een energiebereik dat deeltjesfysici het 'MeV-bereik' noemen. Het is de eerste substantiële stap om te bevestigen dat onderzoekers een breed energiebereik van neutrino's kunnen detecteren - zelfs die van de moeilijker te vangen, lagere energieën - met het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, of DUIN, georganiseerd door Fermilab. Het is de bedoeling dat DUNE medio 2020 van start gaat.

Neutrino's zijn lichtgewicht, ongrijpbare en subtiele deeltjes die dicht bij de lichtsnelheid reizen en aanwijzingen bevatten over de evolutie van het universum. Ze worden geproduceerd bij radioactief verval en andere kernreacties, en hoe lager hun energie, hoe moeilijker ze te detecteren zijn.

In het algemeen, wanneer een neutrino een argonkern raakt, de interactie genereert andere deeltjes die vervolgens detecteerbare sporen achterlaten in de argonzee. Deze deeltjes variëren in energie.

Wetenschappers zijn redelijk bedreven in het plagen van hogere energiedeeltjes - die met meer dan 100 MeV (of megaelektronvolts) - uit hun vloeibare-argondetectorgegevens. Deze deeltjes ritsen door het argon, het achterlaten van wat lijkt op lange sporen in visuele weergaven van de gegevens.

Het uitzeven van deeltjes in de lagere, eencijferig MeV-bereik is moeilijker, zoals proberen de beter verborgen naalden uit de spreekwoordelijke hooiberg te halen. Dat komt omdat deeltjes met een lagere energie niet zoveel sporen achterlaten in het vloeibare argon. Ze ritsen niet zozeer als wel blip.

Inderdaad, na simulatie van neutrino-interacties met vloeibaar argon, ArgoNeuT-wetenschappers voorspelden dat MeV-energiedeeltjes zouden worden geproduceerd en zichtbaar zouden zijn als kleine blips in de visuele gegevens. Waar deeltjes met hogere energie als strepen in het argon worden weergegeven, de veelbetekenende handtekening van de MeV-deeltjes zou kleine stippen zijn.

En dit was de uitdaging waar de onderzoekers van ArgoNeuT voor stonden:hoe lokaliseer je de kleine vlekjes en puntjes in de gegevens? En hoe controleer je of ze daadwerkelijke deeltjesinteracties betekenen en niet alleen maar ruis zijn? De typische technieken, de methoden voor het identificeren van lange sporen in vloeibaar argon, zou hier niet van toepassing zijn. Onderzoekers zouden met iets anders moeten komen.

En dat deden ze:ArgoNeuT ontwikkelde een methode om blip-achtige signalen van MeV-deeltjes te identificeren en te onthullen. Ze begonnen met het vergelijken van twee verschillende categorieën:blips vergezeld van bekende neutrino-gebeurtenissen en blips zonder neutrino-gebeurtenissen. Eindelijk, ze ontwikkelden een nieuwe, specifieke reconstructietechniek voor lage energie om de feitelijke experimentele gegevens van ArgoNeuT te analyseren om ze te zoeken.

En ze hebben ze gevonden. Ze observeerden de blipsignalen, die overeenkwamen met de gesimuleerde resultaten. Niet alleen dat, maar de signalen kwamen luid en duidelijk door:ArgoNeuT identificeerde MeV-signalen als een overmaat van 15 sigma, veel hoger dan de norm voor het claimen van een waarneming in de deeltjesfysica, dat is 5 sigma (wat betekent dat er een kans van 1 op 3,5 miljoen is dat het signaal een toevalstreffer is.)

Het resultaat van ArgoNeuT toont een capaciteit aan die van cruciaal belang is voor het meten van MeV-neutrino-gebeurtenissen in vloeibaar argon.

Intrigerend, neutrino's geboren in een supernova vallen ook in het MeV-bereik. Het resultaat van ArgoNeuT geeft DUNE-wetenschappers een voorsprong in een van hun onderzoeksdoelen:ons begrip van supernova's verbeteren door de stortvloed van neutrino's te bestuderen die ontsnappen uit de exploderende ster terwijl deze instort.

De enorme deeltjesdetector DUNE, ondergronds worden gevestigd in Sanford Lab in South Dakota, wordt gevuld met 70, 000 ton vloeibare argon. Wanneer neutrino's van een supernova het enorme volume argon onder het aardoppervlak doorkruisen, sommigen zullen de argonatomen tegenkomen, produceren van signalen verzameld door de DUNE-detector. Wetenschappers zullen de door DUNE verzamelde gegevens gebruiken om de eigenschappen van supernova-neutrino's te meten en de afbeelding in te vullen van de ster die ze heeft voortgebracht. en mogelijk zelfs getuige zijn van de geboorte van een zwart gat.

Deeltjesdetectoren pikten een handvol neutrinosignalen op van een supernova in 1987, maar geen van hen waren detectoren voor vloeibare argon. (Andere neutrino-experimenten gebruiken, bijvoorbeeld, water, olie, koolstof, of plastic als hun favoriete detectiemateriaal.) DUNE-wetenschappers moesten begrijpen hoe de lagere energiesignalen van een supernova eruit zouden zien in argon.

De ArgoNeuT-samenwerking is het eerste experiment dat helpt bij het beantwoorden van die vraag, biedt een soort eerste hoofdstuk in de gids over waar je op moet letten als een supernova-neutrino argon ontmoet. Het bereiken ervan zou ons een beetje dichter bij het leren brengen van wat deze boodschappers uit de ruimte ons te vertellen hebben.