Neutrino-eksperiment hos Fermilab leverer en hidtil uset måling

Små partikler kendt som neutrinoer er et glimrende værktøj til at studere atomkernenes indre virke. I modsætning til elektroner eller protoner, neutrinoer har ingen elektrisk ladning, og de interagerer kun med et atoms kerne via den svage kernekraft. Dette gør dem til et unikt værktøj til at sondere stoffets byggesten. Men udfordringen er, at neutrinoer er svære at producere og opdage, og det er meget svært at bestemme den energi, en neutrino har, når den rammer et atom.

Denne uge, en gruppe forskere, der arbejder på MiniBooNE-eksperimentet ved Department of Energy's Fermilab, rapporterede om et gennembrud:De var i stand til at identificere nøjagtigt kendte energi-muon-neutrinoer, der ramte atomerne i hjertet af deres partikeldetektor. Resultatet eliminerer en stor kilde til usikkerhed ved test af teoretiske modeller for neutrino -interaktioner og neutrino -svingninger.

"Spørgsmålet om neutrinoenergi er så vigtigt, "sagde Joshua Spitz, Norman M. Leff assisterende professor ved University of Michigan og medleder af holdet, der gjorde opdagelsen, sammen med Joseph Grange ved Argonne National Laboratory. "Det er usædvanligt sjældent at kende energien til et neutrino, og hvor meget energi det overfører til målatomet. Til neutrino-baserede undersøgelser af kerner, det er første gang, det er opnået. "

For at lære mere om kerner, fysikere skyder partikler på atomer og måler, hvordan de kolliderer og spredes. Hvis en partikels energi er tilstrækkelig stor, en kerne, der er ramt af partiklen, kan bryde fra hinanden og afsløre information om de subatomære kræfter, der binder kernen sammen.

Men for at få de mest nøjagtige mål, forskere har brug for at kende den nøjagtige energi af partiklen, der bryder atomet op. At, imidlertid, er næsten aldrig muligt, når man laver eksperimenter med neutrinoer.

Ligesom andre myon neutrino eksperimenter, MiniBooNE bruger en stråle, der omfatter muonneutrinoer med en række energier. Da neutrinoer ikke har elektrisk ladning, forskere har intet "filter", der giver dem mulighed for at vælge neutrinoer med en bestemt energi.

MiniBooNE forskere, imidlertid, fandt på en smart måde at identificere energien af ​​en delmængde af muon-neutrinoerne, der rammer deres detektor. De indså, at deres eksperiment modtager nogle muon-neutrinoer, der har den nøjagtige energi på 236 millioner elektronvolt (MeV). Disse neutrinoer stammer fra henfaldet af kaoner i hvile omkring 86 meter fra MiniBooNE-detektoren, der kommer ud fra aluminiumkernen af ​​partikelabsorberen i NuMI-strålelinjen, som blev bygget til andre forsøg på Fermilab.

Energiske kaoner henfalder til muonneutrinoer med en række energier. Tricket er at identificere muonneutrinoer, der stammer fra kaons henfald i hvile. Bevaring af energi og momentum kræver derefter, at alle muonneutrinoer, der kommer fra kaon-at-rest-forfaldet, skal have nøjagtigt energien på 236 MeV.

"Det er ikke ofte inden for neutrino -fysik, at du kender energien i det indkommende neutrino, " sagde MiniBooNEs medtalsmand Richard Van De Water fra Los Alamos National Laboratory. "Med MiniBooNEs første observation af monoenergetiske muonneutrinoer fra kaon-henfald, vi kan studere de ladede aktuelle interaktioner med en kendt sonde, der sætter teoretikere i stand til at forbedre deres tværsnitsmodeller. Dette er vigtigt arbejde for de fremtidige neutrino-programmer på kort og lang basislinje på Fermilab. "

Denne analyse blev udført med data indsamlet fra 2009 til 2011.

"Resultatet er bemærkelsesværdigt, " sagde Rex Tayloe, medtalsmand for MiniBooNE-samarbejdet og professor i fysik ved Indiana University Bloomington. "Vi var i stand til at udtrække dette resultat på grund af den velforståede MiniBooNE-detektor og vores tidligere omhyggelige undersøgelser af neutrino-interaktioner over 15 års dataindsamling."

Spitz og hans kolleger arbejder allerede på det næste monoenergetiske neutrino -resultat. En anden neutrinodetektor placeret i nærheden af ​​MiniBooNE, kaldet MicroBooNE, modtager også muonneutrinoer fra NuMI -absorberen, 102 meter væk. Da MicroBooNE bruger væske-argon-teknologi til at registrere neutrino-interaktioner, Spitz er optimistisk over, at MicroBooNE -dataene vil give endnu flere oplysninger.

"MicroBooNE vil levere mere præcise målinger af denne neutrino med kendt energi, " sagde han. "Resultaterne vil være ekstremt værdifulde for fremtidige neutrinoscillationseksperimenter."

MiniBooNE -resultatet blev offentliggjort den 6. april, 2018, spørgsmål af Fysisk gennemgangsbreve .