Onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, een nieuwe studie verheldert een discrepantie met betrekking tot de grootste bijdrage aan ongewenste achtergrondsignalen in gespecialiseerde detectoren van neutrino's. Een betere karakterisering van de achtergrond zou de huidige en toekomstige experimenten kunnen verbeteren om echte signalen te detecteren van deze zwak op elkaar inwerkende, elektrisch neutrale subatomaire deeltjes en begrijpen hun rol in het universum.

"We hebben een reactie vastgesteld met aanzienlijke verschillen tussen onze nieuwe meting en de historische gegevens, " zei ORNL's Michael Febbraro, hoofdauteur van een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven dat geeft een verbeterde meting van de reactie. "Het is een van de oudste reacties ooit bestudeerd, en we ontdekken er nog steeds nieuwe dingen over."

Een oudere meting uit 2005, die als referentiestandaard was gebruikt, verkeerd was geanalyseerd. Het beschouwde alleen de grondtoestand van deeltjes in plaats van een spectrum van grond- en aangeslagen toestanden. De nieuwe meting, genomen met behulp van een detectorarray op basis van neutronenspectroscopie en secundaire gammastralen, beschouwd als het hele spectrum van deeltjesenergieën.

Febbraro, die het experiment bedacht en de detectoren bouwde, de meting uitgevoerd met Richard deBoer van de Universiteit van Notre Dame en Steven Pain van ORNL. Andere co-auteurs vertegenwoordigen de Universiteit van Surrey; Universiteit van Michigan, Ann Arbor; Universiteit van Tennessee, Knoxville; en Rutgersuniversiteit.

Deze kernfysici waren niet bedoeld om de eigenschappen van neutrino's te bestuderen; ze houden zich meestal bezig met atoomkernen en hun interacties. Maar in de wetenschap ontdekkingen op het ene gebied hebben vaak grote gevolgen voor andere gebieden.

Een bekende kernreactie verandert koolstof-13 in zuurstof-16 en een neutron. Diezelfde reactie levert een belangrijke bijdrage aan de achtergrond in experimenten die neutrino's meten, of ze worden uitgestraald door de zon, atmosfeer, versnellers, kernreactoren of de kern van de aarde.

De snelheid van die reactie moet goed bekend zijn om de achtergrond nauwkeurig te kunnen berekenen in detectoren zoals de Japanse Kamioka vloeibare scintillator antineutrino-detector, of KamLAND. Met behulp van een versneller van de Universiteit van Notre Dame, de onderzoekers schoten een alfadeeltje (d.w.z. helium-4-kern) op een doelwit van koolstof-13, kortstondig zuurstof-17 vormend, die uiteenviel in zuurstof-16 en een neutron. De onderzoekers maten de "dwarsdoorsnede, " of waarschijnlijkheid dat een reactie plaatsvindt, die evenredig is met de snelheid van de neutronenproductie.

"We ontdekten dat de huidige werelddataset nogal wat onjuist is, omdat ze geen rekening hielden met andere reactiekanalen die aangaan, "Zei Febbraro. "We hebben een speciaal type detector die kan vertellen wat de neutronenenergie is, en dat was de belangrijkste technologie die deze meting mogelijk maakte."

Neutrino-detectoren moeten groot zijn om zwakke signalen te versterken. KamLAND is gevuld met een op koolwaterstof gebaseerde scintillator, een olie die interageert met neutrino's en licht uitstraalt. Die vonken maken het gemakkelijker om de ongrijpbare neutrino's te herkennen en te tellen. Echter, de vervalproducten van radon, een natuurlijk voorkomend radioactief gas, combineren met koolstof-13, een zeldzame isotoop van koolstof in de scintillator, het creëren van de zuurstof-16 en neutronen die signalen van neutrino's nabootsen.

KamLAND weegt ongeveer duizend ton. Dus, terwijl koolstof-13 slechts 1,1% van alle koolstof uitmaakt, KamLAND bevat 10 ton ervan. Radon dat de detector binnenkomt, vervalt in dochterelementen met verschillende energieën. De alfadeeltjes die door dat verval worden geproduceerd, interageren met koolstof-13, het creëren van een achtergrond die het neutrino-signaal overweldigt. "Het is de belangrijkste bron van achtergrond in deze experimenten, ' zei Febbraro.

De eerdere referentiemeting van de reactie had alleen kernen gemeten op het laagste energieniveau, of grondtoestand. Maar kernen leven ook op hogere energieniveaus, aangeslagen toestanden genoemd. Verschillende energieniveaus beïnvloeden de waarschijnlijkheid dat een reactie een bepaald pad zal volgen.

"We hebben de precisie en nauwkeurigheid van metingen aanzienlijk verbeterd door een opstelling te gebruiken die gevoelig is voor een spectrum van neutronenenergieën, ' zei Febbraro.

De wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap maakt gebruik van geëvalueerde nucleaire databases met door experts gegenereerde, peer-reviewed referentiemetingen. Om de achtergrond van KamLAND te schatten, KamLAND-natuurkundigen haalden de referentiemeting uit 2005, gegenereerd door kernfysici, uit een van deze databases, de Japanse Evalueerde Nuclear Data Library. Ze gingen ervan uit dat de meting correct was en stopten deze in hun berekeningen.

"De veronderstelling dat de aangeslagen toestanden er niet toe doen, is niet waar, zei Febbraro. "Met inbegrip van de aangeslagen toestanden verandert niet alleen de grootte van de achtergrond die het veroorzaakt in KamLAND, maar heeft ook invloed op meerdere aspecten van het neutrino-signaal."

ORNL-fysicus Kelly Chipps, die samen met haar ORNL-collega Michael Smith hielp bij het analyseren van de gegevens en het interpreteren van de resultaten, Akkoord.

"Achtergrond is iets dat je precies moet begrijpen, "zei ze. "Anders, het aantal echte gebeurtenissen dat je hebt gezien, kan helemaal verkeerd zijn."

Vraag een grote, scintillator gevulde neutrino detector om achtergrond van signaal te onderscheiden is als geblinddoekt zijn, gevoede chocolaatjes met een rode of groene snoeplaag, en vroeg om te vertellen hoeveel rode chocolaatjes je hebt gegeten.

"Het probleem is, alle snoepjes smaken hetzelfde, "zei Chipps. "Om erachter te komen hoeveel rode snoepjes je hebt gegeten, je zou het totale aantal snoepjes tellen en de chocoladefabrikant bellen om te vragen hoeveel rode snoepjes er over het algemeen in een zak zitten."

Net zoals als u deze verhouding kent, u een schatting kunt maken van de hoeveelheid snoep, de referentie-informatie in geëvalueerde nucleaire databases laat wetenschappers het aantal neutrino's schatten.

"Het blijkt dat ons experiment een ander antwoord kreeg dan wat de 'snoepfabrikant' zei dat de verhouding zou moeten zijn, "Vervolgde Chipps. "Dit is niet omdat de fabrikant een verkeerd antwoord wilde geven; het is omdat hun sorteermachine met de verkeerde waarde was geprogrammeerd."

De nieuwe neutronenproductiesnelheid die is gevonden door Febbraro en zijn collega's op het gebied van kernfysica, kan nu worden gebruikt door de natuurkundigen die werken aan KamLAND en andere op vloeistofscintillator gebaseerde neutrino-experimenten om de achtergrond nauwkeuriger en nauwkeuriger af te trekken.

Sinds deze nieuwe meting Het team van Febbraro heeft de speciale detector gebruikt om soortgelijke reacties te meten. Ze hebben discrepanties gevonden in de neutronenproductiesnelheid voor een half dozijn isotopen. "Berekeningen in dit massagebied zijn niet erg betrouwbaar, " hij zei.

De titel van de Fysieke beoordelingsbrieven papier is "Nieuw" ¹³ C(α, N) ¹⁶ O Dwarsdoorsnede met implicaties voor het mengen van neutrino's en Geoneutrino-metingen. De ontwikkeling van de detector werd ondersteund door het DOE Office of Science. De meting werd gedaan aan het Nuclear Science Laboratory van de Universiteit van Notre Dame, die wordt ondersteund door de National Science Foundation.