Blast fra fortiden-Første måling af mono-energiske neutrinoer

Ved at analysere data indsamlet for over otte år siden, forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory og Fermi National Accelerator Laboratory har gjort en potentielt banebrydende opdagelse.

I 2002, forskere begyndte Booster Neutrino -eksperimentet, kendt som MiniBooNE, på Fermilab for at lære mere om, hvordan neutrinoer - meget lette, neutrale grundpartikler - interagerer med stof. Forskere undersøgte for nylig data fra forsøget taget mellem 2009 og 2011, og de fandt det første direkte bevis på mono-energiske neutrinoer, eller neutrinoer med bestemt energi, der er energiske nok til at producere en muon.

Neutrinoer er ekstremt lette og påvirkes kun af den svage subatomære kraft, så de interagerer sjældent med stof. Faktisk, de kunne rejse gennem lysår med bly, før de interagerede med det. Partiklerne er meget vanskelige at opdage, men ikke svært at skabe. På grund af neutrino's undvigelse, forskere skal arbejde med bjælker sammensat af et stort antal partikler. De skyder bjælkerne mod kerner i en detektor, håber på neutrinoer at kollidere med målmaterialet.

"En komplikation ved at bruge disse store bjælker er, at neutrinoernes energier er vidt forskellige og lidt uforudsigelige, "sagde Argonne -fysikeren Joe Grange, en af ​​forskerne, der hjalp med at opdage mono-energiske neutrinoer. "Dette gør det svært at fortolke dataene fuldt ud."

Den nye opdagelse kan hjælpe eksperimentelle med at løse dette problem. Forskerne indså, at mono-energiske neutrinoer blev frigivet fra en nærliggende neutrino-stråle ved Fermilab, og de besluttede at se på MiniBooNE -dataene for at se, om nogen af ​​disse neutrinoer blev opdaget under dette forsøg.

Helt sikkert, analyse af MiniBooNE data viste tegn på tusinder af neutrino-nucleus kollisioner, hvor neutrinoerne alle startede med den samme energi, 236 mega-elektron-volt (MeV). Under MiniBooNE -eksperimentet partikler kaldet kaoner skabt i en protonabsorber fra et andet forsøg henfaldet til partikler kaldet muoner og muonneutrinoer. Muonneutrinoerne rejste derefter til MiniBooNE -detektoren. Fordi kaonerne var i ro, da de forfaldt, og fordi de forfaldt til kun to partikler, neutrinoerne havde alle samme mængde startenergi, før de kolliderede med kernerne i MiniBooNE -detektoren.

Forfaldet af en kaon er en velkendt reaktion. "Med denne opdagelse, vi kan forbedre vores forståelse af, hvordan neutrinoer interagerer med stof og også planlægge fremtidige eksperimenter, der kan udnytte denne interaktion til søgen efter nye fysikprocesser, "sagde Grange. Kanalisering af dette forfald som en kilde til neutrinoer til eksperimenter ville fjerne usikkerheden omkring neutrinoenergierne, gør analyser enklere og potentielt mere oplysende.

Ud over at inspirere fremtidige eksperimentelle opsætninger, dataene hjælper også forskere med at lære om kernernes adfærd, når de bombarderes med neutrinoer, og kan hjælpe dem med at forfine modeller for interaktionerne. Når en muonneutrino kolliderer med en kerne i en detektor, en muon med en af ​​en række forskellige energier kan dukke op. Det er dette spektrum af mulige energier fra de nye muoner, som forskerne observerede direkte i denne undersøgelse, og det taler om den måde, neutrino overfører energi til kernen ved kontakt.

"Der er gjort meget arbejde med at skyde elektroner mod kerner og se, hvordan de opfører sig elektromagnetisk, "sagde Grange." Men der er gjort mindre arbejde for at se, hvordan neutrinoer interagerer svagt på grund af, hvor vanskelige neutrinoer er at arbejde med. "

Det eksperimentelle aspekt af denne opdagelse kan også hjælpe forskere med at søge efter den teoretiserede sterile neutrino, en neutrino, der kun interagerer gennem tyngdekraften og ikke den svage kraft. Et eksperiment fra midten af ​​1990'erne på DOE's Los Alamos National Laboratory gav neutrino-data, der var uforenelige med data fra et separat forsøg på det europæiske laboratorium CERN, og denne uoverensstemmelse kan forklares med eksistensen af ​​denne "spøgelses" partikel.

Det oprindelige mål med MiniBooNE -eksperimentet var at bekræfte eller modbevise eksistensen af ​​sterile neutrinoer. Selvom eksperimentet kan ende med at være utydeligt, den nye opdagelse fra dybden af ​​dens data kan hjælpe fremtidige eksperimenter med at opdage deres eksistens. Forskere arbejder allerede mod forsøg, der vil bruge neutrinoer fra dette specifikke kaonforfald til at søge efter sterile neutrinoer.

"Det er en dejlig historie om, hvordan det var næsten fem år, før vi indså, at der var noget vigtigt i dataene, "sagde Grange." Moralen i historien er at beholde alle dataene og fortsætte med at tænke på, hvilke andre oplysninger der er, som du endnu ikke har hentet ud. "

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i et papir med titlen "First Measurement of Monoenergetic Muon Neutrino Charged Current Interactions" i Fysisk gennemgangsbreve .