Hemmeligheden ved at måle energien fra en antineutrino

Forskere studerer små partikler kaldet neutrinoer for at lære om, hvordan vores univers udviklede sig. Disse partikler, kendt for at være svær at opdage, kunne fortælle historien om, hvordan sagen vandt over antimateriale en brøkdel af et sekund efter Big Bang og, følgelig, hvorfor vi overhovedet er her.

At komme til bunds i den splitsekunders historie betyder at afdække forskellene, hvis nogen, mellem neutrino og dets antimateriale -modstykke, antineutrino.

MINERvA neutrino -eksperimentet på Fermilab tilføjede for nylig nogle detaljer til neutrinoers og antineutrinoers adfærdsprofiler:Forskere målte sandsynligheden for, at disse berømt flygtige partikler ville stoppe i MINERvA -detektoren. I særdeleshed, de så på tilfælde, hvor en antineutrino, der interagerede i detektoren, frembragte en anden partikel, en neutron - den velkendte partikel, der, sammen med protonen, udgør et atomkerne.

MINERvA's undersøgelser af sådanne tilfælde gavner andre neutrino -eksperimenter, som kan bruge resultaterne til at forfine deres egne målinger af lignende interaktioner.

Det er typisk at studere partiklerne, der produceres ved interaktionen mellem et neutrino (eller antineutrino) for at få en perle på neutrinos adfærd. Neutrinoer er ubesværede flugtkunstnere, og deres Houdini-lignende natur gør det svært at måle deres energier direkte. De sejler uhindret igennem alt - selv bly. Forskere tippes til den sjældne neutrino -interaktion ved produktion af andre, lettere opdagede partikler. De måler og summerer energierne fra disse spændende partikler og måler dermed indirekte energien fra neutrinoen, der sparkede alt i gang.

Denne særlige MINERvA -undersøgelse - antineutrino kommer ind, neutronblade - er en vanskelig sag. De fleste postinteraktionspartikler afleverer deres energier i partikeldetektoren, efterlader spor, som forskere kan spore tilbage til den originale antineutrino (eller neutrino, i det tilfælde).

Men i dette eksperiment, neutronen gør det ikke. Den holder fast i sin energi, efterlader næsten ingen i detektoren. Resultatet er en praktisk talt usporbar, uberørt energi, der ikke let kan indtastes i energibøgerne. Og desværre, antineutrinos er gode til at producere energi-abscanderende neutroner.

Forskere gør det bedste ud af situationer med manglende energi. De forudsiger, baseret på andre undersøgelser, hvor meget energi der går tabt og korrekt for det.

For at give det videnskabelige samfund et databaseret, forudsigelsesværktøj til manglende energimomenter, MINERvA indsamlede data fra den værst tænkelige situation:En antineutrino rammer en kerne i detektoren og slår den ikke-sporbare neutron ud, så næsten al den energi, der tilføres kernen, bliver "poof". (Disse interaktioner producerer også positivt ladede partikler kaldet muoner, som signalerer antineutrino -interaktionen.) Ved at studere denne særlige forsvindende handling, forskere kunne direkte måle virkningerne af den manglende energi.

Andre forskere kan nu lede efter disse effekter, anvende de erfaringer, vi har lært på lignende sager. For eksempel, forskere om Fermilabs største operative neutrino -eksperiment, NOvA, og det japanske T2K -eksperiment vil bruge denne teknik i deres antineutrino -målinger. Og det Fermilab-hostede internationale Deep Underground Neutrino-eksperiment, midtpunkt i et verdensførende neutrino-program, vil også drage fordel af dette, når det begynder at indsamle data i 2020'erne.

Neutronproduktionskassen er kun en form for manglende energi-interaktion, en af ​​mange. Så modellen, der kommer ud af dette MINERvA -studie, er ganske vist en ufuldkommen model. Der kan ikke være en one-size-fits-all-missing-energy-scenarios model. Men det giver stadig et nyttigt værktøj til at samle en neutrinos energi - og det er en hård opgave, uanset hvilke partikler der kommer ud af interaktionen.

"Denne analyse er et godt bevis på både detektorens evne til at måle neutrino -interaktioner og til samarbejdets evne til at udvikle nye strategier, "sagde Fermilab-videnskabsmand og MINERvA-medordfører Deborah Harris." Da vi startede MINERvA, denne analyse var ikke engang et glimt i nogens øjne. "

Der er en bonus til denne nylige undersøgelse, også, en, der styrker en undersøgelse foretaget sidste år.

Til den tidligere undersøgelse, MINERvA fokuserede på neutrino (i stedet for antineutrino) interaktioner, der slog proton-neutron par ud (i stedet for ensomme neutroner eller protoner). I en detektor som MINERvA, en protons energi er meget lettere at måle end en neutrons, så den tidligere undersøgelse gav formodentlig mere præcise målinger end den nylige antineutrino undersøgelse.

Hvor gode var disse målinger? MINERvA -forskere tilsluttede værdierne af det tidligere neutrinoundersøgelse til en model af denne nylige antineutrino -undersøgelse for at se, hvad der ville dukke op. Se og se, justeringen til antineutrino -modellen forbedrede dets evne til at forudsige dataene.

Kombinationen af ​​de to undersøgelser giver neutrinofysikfællesskabet nye oplysninger om, hvor godt modeller klarer sig, og hvor de mangler. Søgninger efter fænomenet kendt som CP-krænkelse-det der gør sagen speciel i forhold til antimateriale og gjorde det muligt at erobre i kampen efter Big Bang-afhænger af at sammenligne neutrino- og antineutrino-prøver og lede efter små forskelle. Stor, ukendte forskelle mellem neutrino- og antineutrino -reaktionsprodukter ville skjule tilstedeværelsen eller fraværet af CP -signaturer.

"Vi er ikke længere bekymrede for store forskelle, og vores neutrino -program kan arbejde med små justeringer af kendte forskelle, "sagde fysikeren Rik Gran, University of Minnesota - Duluth hovedforfatter på dette resultat.

MINERvA går ind på modeller, der, for hver ny test, bedre beskrive både neutrino- og antineutrino -data - og dermed historien om, hvordan universet blev til.

Disse resultater blev vist den 1. juni, 2018, i Fysisk gennemgangsbreve .