Neutrino's zijn de lichtste van alle bekende deeltjes die massa hebben. Maar hun gedrag tijdens hun reizen zou kunnen helpen bij het beantwoorden van een van de grootste puzzels in de natuurkunde:waarom het huidige universum grotendeels uit materie bestaat, terwijl de oerknal evenveel materie als antimaterie had moeten produceren. In twee recente kranten de NA61/SHINE-samenwerking rapporteert deeltjesmetingen die cruciaal zijn voor op versneller gebaseerde experimenten om dergelijk neutrino-gedrag te bestuderen.

Neutrino's zijn er in drie soorten, of "smaken, " en neutrino-experimenten meten met steeds meer detail hoe zij en hun antimaterie-tegenhangers, antineutrino's, "oscilleren" van de ene smaak naar de andere terwijl ze reizen. Als blijkt dat neutrino's en antineutrino's op een andere manier van elkaar oscilleren, dit kan de huidige onbalans tussen materie en antimaterie gedeeltelijk verklaren.

Op versneller gebaseerde neutrino-experimenten zoeken naar neutrino-oscillaties door een bundel neutrino's van één smaak te produceren en de bundel te meten nadat deze een lange afstand heeft afgelegd. De neutrinostralen worden typisch geproduceerd door een straal van hoogenergetische protonen in lange, dunne koolstof- of berylliumdoelen. Deze interacties tussen protonen en doelwitten produceren hadronen, zoals pionen en kaons, die zijn gericht met behulp van magnetische aluminium hoorns en gericht in lange tunnels, waarin ze transformeren in neutrino's en andere deeltjes.

Om een ​​betrouwbare meting van de neutrino-oscillaties te krijgen, de onderzoekers die aan deze experimenten werken, moeten het aantal neutrino's in de bundel vóór oscillatie schatten en hoe dit aantal varieert met de energie van de deeltjes. Het schatten van deze "neutrinoflux" is moeilijk, omdat neutrino's zeer zwak interageren met andere deeltjes en niet gemakkelijk kunnen worden gemeten. Om dit te omzeilen, onderzoekers schatten in plaats daarvan het aantal hadronen. Maar het meten van het aantal hadronen is ook een uitdaging, omdat het er te veel zijn om precies te meten.

Dit is waar experimenten zoals NA61/SHINE bij CERN's Super Proton Synchrotron van pas komen. NA61/SHINE kan de interacties tussen protonen en doelwitten reproduceren die de hadronen genereren die in neutrino's veranderen. Het kan ook latere interacties reproduceren die protonen en hadronen ondergaan in de doelen en focusserende hoorns. Deze daaropvolgende interacties kunnen extra neutrino-leverende hadronen produceren.

De NA61/SHINE-samenwerking heeft eerder hadronen gemeten die zijn gegenereerd in experimenten bij 31 GeV/c protonenergie (waarbij c de lichtsnelheid is) om de neutrinoflux te helpen voorspellen in het Tokai-naar-Kamioka (T2K) neutrino-oscillatie-experiment in Japan . De samenwerking heeft ook gegevens verzameld bij energieën van 60 en 120 GeV/c ten behoeve van de MINERνA, NOνA en DUNE experimenten bij Fermilab in de VS. De analyse van deze datasets vordert goed en heeft recentelijk geleid tot twee papers:een beschrijft metingen van interacties van protonen met koolstof, beryllium en aluminium, en een andere rapportage van metingen van interacties van pionen met koolstof en beryllium.

"Deze resultaten zijn cruciaal voor Fermilabs neutrino-experimenten, " zegt Laura Velden, een NA61/SHINE samenwerkingslid en co-woordvoerder voor MINERνA. "Om de neutrinofluxen voor deze experimenten te voorspellen, onderzoekers hebben een extreem gedetailleerde simulatie nodig van de hele bundellijn en alle interacties die daarin plaatsvinden. Voor die simulatie moeten we de kans weten dat elk type interactie zal plaatsvinden, de deeltjes die zullen worden geproduceerd, en hun eigenschappen. Interactiemetingen zoals de nieuwste zijn dus van vitaal belang om deze simulaties veel nauwkeuriger te maken, " ze legt uit.

"Als we in de toekomst kijken, NA61/SHINE zal zich richten op metingen voor de volgende generatie neutrino-oscillatie-experimenten, waaronder DUNE en T2HK in Japan, om deze experimenten in staat te stellen zeer nauwkeurige resultaten te produceren in de neutrinofysica, ’, besluit Fields.