Wetenschappers noemen het neutrino vaak het 'spookdeeltje'. Neutrino's waren een van de meest voorkomende deeltjes aan de oorsprong van het universum en zijn dat nog steeds. Fusiereacties in de zon produceren enorme legers, die elke dag op de aarde neerstorten. Elke seconde gaan er biljoenen door ons lichaam, vlieg dan door de aarde alsof het er niet is.

"Terwijl voor het eerst bijna een eeuw geleden werd gepostuleerd en 65 jaar geleden voor het eerst werd ontdekt, neutrino's blijven gehuld in mysterie vanwege hun onwil om te interageren met materie, " zei Alessandro Lovato, een kernfysicus bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Lovato is lid van een onderzoeksteam van vier nationale laboratoria dat een model heeft geconstrueerd om een ​​van de vele mysteries over neutrino's aan te pakken:hoe ze interageren met atoomkernen, ingewikkelde systemen gemaakt van protonen en neutronen ("nucleonen") die door de sterke kracht aan elkaar zijn gebonden. Deze kennis is essentieel om een ​​nog groter mysterie te ontrafelen:waarom neutrino's tijdens hun reis door de ruimte of materie op magische wijze van de ene in de andere veranderen van drie mogelijke typen of 'smaken'.

Om deze trillingen te bestuderen, er zijn twee reeksen experimenten uitgevoerd in het Fermi National Accelerator Laboratory van DOE (MiniBooNE en NOvA). Bij deze experimenten wetenschappers genereren een intense stroom neutrino's in een deeltjesversneller, stuur ze vervolgens over een lange periode (MiniBooNE) of vijfhonderd mijl van de bron (NOvA) naar deeltjesdetectoren.

De oorspronkelijke distributie van neutrino-smaken kennen, de experimentatoren verzamelen vervolgens gegevens met betrekking tot de interacties van de neutrino's met de atoomkernen in de detectoren. Uit die informatie, ze kunnen eventuele veranderingen in de neutrino-smaken in de tijd of op afstand berekenen. In het geval van de MiniBooNE- en NOvA-detectoren, de kernen zijn van de isotoop koolstof-12, die zes protonen en zes neutronen heeft.

"Ons team kwam in beeld omdat deze experimenten een zeer nauwkeurig model vereisen van de interacties van neutrino's met de detectorkernen over een groot energiebereik, " zei Noemi Rocco, een postdoc in de natuurkunde-divisie van Argonne en Fermilab. Gezien de ongrijpbaarheid van neutrino's, het verkrijgen van een uitgebreide beschrijving van deze reacties is een enorme uitdaging.

Het kernfysica-model van het team van neutrino-interacties met een enkel nucleon en een paar daarvan is tot nu toe het meest nauwkeurig. "Onze benadering is de eerste benadering om deze interacties op zo'n microscopisch niveau te modelleren, " zei Rocco. "Eerdere benaderingen waren niet zo fijnkorrelig."

Een van de belangrijke bevindingen van het team, gebaseerd op berekeningen uitgevoerd op de inmiddels gepensioneerde Mira-supercomputer bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), was dat de nucleonpaarinteractie cruciaal is om neutrino-interacties met kernen nauwkeurig te modelleren. De ALCF is een DOE Office of Science User Facility.

"Hoe groter de kernen in de detector, hoe groter de kans dat de neutrino's ermee interageren, " zei Lovato. "In de toekomst, we zijn van plan ons model uit te breiden naar gegevens van grotere kernen, namelijk, die van zuurstof en argon, ter ondersteuning van geplande experimenten in Japan en de VS."

Rocco voegde eraan toe:'Voor die berekeningen we zullen vertrouwen op nog krachtigere ALCF-computers, het bestaande Theta-systeem en de toekomstige exascale-machine, Aurora."

Wetenschappers hopen dat, eventueel, er zal een compleet beeld ontstaan ​​van smaakoscillaties voor zowel neutrino's als hun antideeltjes, genaamd 'antineutrino's'. Die kennis kan licht werpen op waarom het universum is opgebouwd uit materie in plaats van antimaterie - een van de fundamentele vragen over het universum.

De krant, getiteld "Ab Initio Study of (νℓ, ) en (ν¯ℓ, ℓ+) Inclusief verstrooiing in C12:confrontatie met de MiniBooNE- en T2K CCQE-gegevens, " is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X . Naast Rocco en Lovato, auteurs zijn onder meer J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Nationaal Laboratorium Los Alamos), en R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).