Moeilijk te geloven dat je kunt poolen met neutrino's, maar bepaalde neutrino-interactiegebeurtenissen liggen dichter bij het spel dan je denkt.

In deze quasielastische interacties met geladen stroom - CCQE-interacties, kortom - een neutrino treft een deeltje in de atoomkern - een proton of een neutron. Uit de botsing komen twee deeltjes tevoorschijn. De ene is een muon, een zwaardere neef van het elektron. De andere is ofwel een proton (als het stationaire deeltje een neutron is) of een neutron (als het stationaire deeltje een proton is).

De neutrino-interacties die het gevolg zijn van deze quasielastische reacties zijn als de botsingen tussen ballen in een spelletje pool:je kunt de energie van het binnenkomende neutrino raden door de richting en energie van slechts één van de uitgaande deeltjes te meten, op voorwaarde dat je de typen van alle vier de deeltjes kent die in de eerste plaats in de interactie waren en de oorspronkelijke richting van het neutrino.

CCQE-interacties zijn een belangrijke interactiemodus van neutrino's in huidige en toekomstige neutrino-oscillatie-experimenten, zoals het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, georganiseerd door Fermilab.

Ze zijn vergelijkbaar met de elastische interacties die elke poolspeler kent, behalve op één belangrijke manier:de zwakke kernkracht zorgt ervoor dat de deeltjes van de ene soort in de andere kunnen veranderen, vandaar de "quasielastische" naam. In dit subatomaire poolspel, de speelbal (neutrino) raakt een stilstaande rode bal (proton), die uit de botsing tevoorschijn komt als een oranje bal (neutron).

Aangezien de meeste moderne neutrino-experimenten doelen gebruiken die gemaakt zijn van zware kernen, variërend van koolstof tot argon, nucleaire effecten en correlaties tussen de neutronen en protonen in de kern kunnen significante veranderingen veroorzaken in de waargenomen interactiesnelheden en wijzigingen in de geschatte neutrino-energie.

Bij MINERvA, wetenschappers identificeren de CCQE-interacties door een lang muonspoor achtergelaten in de deeltjesdetector en mogelijk een of meer protonensporen. Echter, deze experimentele signatuur kan soms worden geproduceerd door niet-CCQE-interacties als gevolg van nucleaire effecten in de doelkern. evenzo, nucleaire effecten kunnen ook de deeltjes in de eindtoestand wijzigen om een ​​CCQE-gebeurtenis eruit te laten zien als een niet-CCQE-gebeurtenis en vice versa.

Aangezien nucleaire effecten het een uitdaging kunnen maken om een ​​echte CCQE-gebeurtenis te identificeren, MINERvA rapporteert metingen alleen op basis van de eigenschappen van de deeltjes in de eindtoestand en noemt ze CCQE-achtige gebeurtenissen (aangezien ze bijdragen zullen hebben van zowel echte CCQE- als niet-CCQE-gebeurtenissen). Een CCQE-achtige gebeurtenis is een gebeurtenis met ten minste één uitgaand muon, een willekeurig aantal protonen of neutronen, en geen mesonen als deeltjes in de eindtoestand. (Mesonen, zoals protonen en neutronen, zijn gemaakt van quarks. Protonen en neutronen hebben drie quarks; mesonen hebben er twee.)

MINERvA heeft de waarschijnlijkheid van CCQE-achtige neutrino-interacties gemeten met behulp van Fermilab's medium-energy neutrino-bundel, waarbij de neutrinoflux een piek bereikte van 6 GeV. In vergelijking met eerdere metingen van MINERvA, die werden uitgevoerd met een laagenergetische bundel (3 GeV piekneutrinoflux), deze meting heeft het voordeel van een breder energiebereik en veel grotere statistieken:1, 318, 540 CCQE-achtige gebeurtenissen vergeleken met 109, 275 evenementen in eerdere energiezuinige runs.

MINERvA heeft deze CCQE-interactiewaarschijnlijkheidsmetingen gedaan als een functie van het kwadraat van het momentum dat door het neutrino naar de kern wordt overgebracht, die wetenschappers aanduiden als Q2. De grafiek toont discrepanties tussen de gegevens en de meeste voorspellingen in regio's met een laag Q2 en een hoog Q2. Door de meting van MINERvA te vergelijken met verschillende modellen, wetenschappers kunnen ze verfijnen en de fysica in de nucleaire omgeving beter verklaren.

MINERvA heeft ook meer gedetailleerde metingen gedaan van de waarschijnlijkheid van neutrino-interactie op basis van het momentum van het uitgaande muon. Ze houden rekening met het momentum van het muon, zowel in de richting van de baan van het binnenkomende neutrino als in de richting loodrecht op zijn baan. Dit werk helpt huidige en toekomstige neutrino-experimenten om hun eigen gegevens te begrijpen over een breed scala van muonkinematica.

Mateus Carneiro, voorheen van het Braziliaanse Center for Research in Physics en Oregon State University en nu bij Brookhaven National Laboratory, en Dan Ruterbories van de Universiteit van Rochester waren de belangrijkste aanjagers van deze analyse. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .