Natuurkundigen die spookachtige deeltjes bestuderen die neutrino's worden genoemd uit de internationale MicroBooNE-samenwerking, hebben een eerste in zijn soort meting gerapporteerd:een uitgebreide set van de energieafhankelijke dwarsdoorsneden van de neutrino-argon-interactie. Deze meting markeert een belangrijke stap in de richting van het bereiken van de wetenschappelijke doelen van de volgende generatie neutrino-experimenten, namelijk het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Neutrino's zijn kleine subatomaire deeltjes die zowel beroemd ongrijpbaar als enorm overvloedig zijn. Terwijl ze eindeloos elke centimeter van het aardoppervlak bombarderen met bijna de snelheid van het licht, kunnen neutrino's door een lichtjaar aan lood reizen zonder ooit een enkel atoom te verstoren. Het begrijpen van deze mysterieuze deeltjes zou enkele van de grootste geheimen van het universum kunnen ontsluiten.

Het MicroBooNE-experiment, dat zich bevindt in het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), verzamelt sinds 2015 gegevens over neutrino's, gedeeltelijk als een testbed voor DUNE, dat momenteel in aanbouw is. Om ongrijpbare neutrino's te identificeren, gebruiken beide experimenten een geluidsarme vloeistof-argon-tijdprojectiekamer (LArTPC) - een geavanceerde detector die neutrinosignalen opvangt wanneer de deeltjes door ijskoud vloeibaar argon gaan dat op -303 graden Fahrenheit wordt gehouden. Natuurkundigen van MicroBooNE hebben LArTPC-technieken verfijnd voor grootschalige detectoren in DUNE.

Nu heeft een teaminspanning onder leiding van wetenschappers van DOE's Brookhaven National Laboratory, in samenwerking met onderzoekers van Yale University en Louisiana State University, die technieken verder verfijnd door de neutrino-argon-doorsnede te meten. Hun werk is vandaag gepubliceerd in Physical Review Letters .

"De neutrino-argondoorsnede geeft weer hoe argonkernen reageren op een invallend neutrino, zoals die in de neutrinostraal geproduceerd door MicroBooNE of DUNE", zegt Brookhaven Lab-fysicus Xin Qian, leider van Brookhaven's MicroBooNE-fysicagroep. "Ons uiteindelijke doel is om de eigenschappen van neutrino's te bestuderen, maar eerst moeten we beter begrijpen hoe neutrino's interageren met het materiaal in een detector, zoals argonatomen."

Een van de belangrijkste neutrino-eigenschappen die DUNE zal onderzoeken, is hoe de deeltjes oscilleren tussen drie verschillende "smaken":muon-neutrino, tau-neutrino en elektronenneutrino. Wetenschappers weten dat deze oscillaties onder andere afhankelijk zijn van de energie van neutrino's, maar die energie is zeer moeilijk in te schatten. Niet alleen zijn neutrino-interacties extreem complex van aard, maar er is ook een grote energiespreiding binnen elke neutrinostraal. Het bepalen van de gedetailleerde energieafhankelijke doorsneden biedt natuurkundigen essentiële informatie om neutrino-oscillaties te bestuderen.

"Zodra we de dwarsdoorsnede kennen, kunnen we de berekening omkeren om de gemiddelde neutrino-energie, smaak en oscillatie-eigenschappen van een groot aantal interacties te bepalen", zegt Brookhaven Lab-postdoc Wenqiang Gu, die de fysica-analyse leidde.

Om dit te bereiken heeft het team een ​​nieuwe techniek ontwikkeld om de gedetailleerde energieafhankelijke doorsnede te extraheren.

"Eerdere technieken maten de doorsnede als een functie van variabelen die gemakkelijk kunnen worden gereconstrueerd", zegt London Cooper-Troendle, een afgestudeerde student van Yale University die gestationeerd is bij Brookhaven Lab via het Graduate Student Research Program van DOE. "Als je bijvoorbeeld een muon-neutrino bestudeert, zie je over het algemeen een geladen muon uit de deeltjesinteractie komen, en dit geladen muon heeft goed gedefinieerde eigenschappen zoals zijn hoek en energie. Dus je kunt de doorsnede meten als een functie van de muonhoek of energie. Maar zonder een model dat nauwkeurig rekening houdt met 'ontbrekende energie', een term die we gebruiken om extra energie in de neutrino-interacties te beschrijven die niet kan worden toegeschreven aan de gereconstrueerde variabelen, zou deze techniek experimenten vereisen om conservatief te handelen."

Het onderzoeksteam onder leiding van Brookhaven probeerde het reconstructieproces van neutrino-energie met ongekende precisie te valideren, waardoor de theoretische modellering van neutrino-interacties zoals nodig voor DUNE werd verbeterd. Om dit te doen, paste het team hun expertise en lessen toe die ze hadden geleerd van eerder werk aan het MicroBooNE-experiment, zoals hun inspanningen om interacties met verschillende neutrino-smaken te reconstrueren.

"We hebben een nieuwe beperking toegevoegd om de wiskundige modellering van de reconstructie van neutrino-energie aanzienlijk te verbeteren", zegt assistent-professor Hanyu Wei van de Louisiana State University, voorheen een Goldhaber-fellow bij Brookhaven.

Het team valideerde dit nieuwe beperkte model tegen experimentele gegevens om de eerste gedetailleerde energieafhankelijke meting van de neutrino-argondoorsnede te produceren.

"De resultaten van de neutrino-argondoorsnede van deze analyse kunnen voor het eerst onderscheid maken tussen verschillende theoretische modellen," zei Gu.

Terwijl natuurkundigen verwachten dat DUNE verbeterde metingen van de dwarsdoorsnede zal produceren, bieden de methoden die zijn ontwikkeld door de MicroBooNE-samenwerking een basis voor toekomstige analyses. De huidige doorsnedemeting is al ingesteld om aanvullende ontwikkelingen op theoretische modellen te begeleiden.

In de tussentijd zal het MicroBooNE-team zich concentreren op het verder verbeteren van de meting van de doorsnede. De huidige meting werd gedaan in één dimensie, maar toekomstig onderzoek zal de waarde in meerdere dimensies aanpakken - dat wil zeggen als een functie van meerdere variabelen - en meer wegen van onderliggende fysica verkennen. + Verder verkennen

Door versneller geproduceerde neutrino's spotten in een kosmische hooiberg