Identificering af lavere energi neutrinoer med en væske-argon partikeldetektor

Et eksperiment ved Department of Energy's Fermilab har gjort et betydeligt fremskridt i påvisningen af ​​neutrinoer, der skjuler sig ved lavere energier.

ArgoNeuT -eksperimentet viste for nylig for første gang, at en bestemt klasse af partikeldetektorer - dem, der bruger flydende argon - kan identificere signaler i et energiområde, som partikelfysikere kalder "MeV -området". Det er det første materielle skridt til at bekræfte, at forskere vil være i stand til at opdage et bredt energiområde af neutrinoer-også dem, der er sværere at fange, lavere energier - med det internationale Deep Underground Neutrino -eksperiment, eller DUNE, hostet af Fermilab. DUNE er planlagt til at starte i midten af ​​2020'erne.

Neutrinoer er lette, undvigende og subtile partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed og har spor om universets udvikling. De produceres i radioaktive henfald og andre atomreaktioner, og jo lavere deres energi, jo sværere er de at opdage.

Generelt, når en neutrino rammer en argonkerne, interaktionen genererer andre partikler, der derefter efterlader påviselige spor i argonsøen. Disse partikler varierer i energi.

Forskere er ret dygtige til at drille partikler med højere energi-dem med mere end 100 MeV (eller megaelektronvolt)-ud fra deres væskeargondetektordata. Disse partikler lynes gennem argon, efterlader, hvad der ligner lange spor i visuelle visninger af dataene.

Sigtning af partikler i den nederste, encifret MeV-område er hårdere, som at prøve at udtrække de bedre skjulte nåle i den ordsprogede høstak. Det er fordi partikler med lavere energi ikke efterlader så meget af et spor i den flydende argon. De zip ikke så meget som blip.

Ja, efter simulering af neutrino -interaktioner med flydende argon, ArgoNeuT-forskere forudsagde, at MeV-energipartikler ville blive produceret og ville være synlige som små blips i de visuelle data. Hvor partikler med højere energi viser sig som striber i argon, MeV -partiklenes signatur ville være små prikker.

Og det var den udfordring, ArgoNeuT -forskere stod over for:Hvordan finder du de små blips og prikker i dataene? Og hvordan kontrollerer du, at de betegner faktiske partikel-interaktioner og ikke kun er støj? De typiske teknikker, metoderne til at identificere lange spor i flydende argon, ville ikke gælde her. Forskere skulle finde på noget andet.

Og det gjorde de:ArgoNeuT udviklede en metode til at identificere og afsløre flip-lignende signaler fra MeV-partikler. De startede med at sammenligne to forskellige kategorier:blips ledsaget af kendte neutrinohændelser og blips uden ledsagelse af neutrinohændelser. Endelig, de udviklede en ny lavenergispecifik rekonstruktionsteknik til at analysere ArgoNeuTs faktiske eksperimentelle data for at lede efter dem.

Og de fandt dem. De observerede blipsignalerne, som matchede de simulerede resultater. Ikke kun det, men signalerne kom højt og tydeligt:​​ArgoNeuT identificerede MeV -signaler som et overskud på 15 sigma, langt højere end standarden for at kræve en observation i partikelfysik, som er 5 sigma (hvilket betyder, at der er en 1 ud af 3,5 millioner chance for, at signalet er et lykslag.)

ArgoNeuTs resultat viser en kapacitet af afgørende betydning for måling af MeV -neutrinohændelser i flydende argon.

Spændende nok, neutrinoer født i en supernova falder også ind i MeV -området. ArgoNeuTs resultat giver DUNE -forskere et ben op i et af sine forskningsmål:at forbedre vores forståelse af supernovaer ved at studere strømmen af ​​neutrinoer, der flygter inde fra den eksploderende stjerne, når den kollapser.

Den enorme DUNE partikeldetektor, at blive placeret under jorden på Sanford Lab i South Dakota, vil blive fyldt med 70, 000 tons flydende argon. Når neutrinoer fra en supernova krydser den enorme mængde argon under jordens overflade, nogle vil støde på argonatomer, producerer signaler indsamlet af DUNE -detektoren. Forskere vil bruge de data, der er samlet af DUNE til at måle supernova neutrino egenskaber og udfylde billedet af stjernen, der producerede dem, og endda potentielt være vidne til fødslen af ​​et sort hul.

Partikeldetektorer opsamlede en håndfuld neutrinosignaler fra en supernova i 1987, men ingen af ​​dem var væskeargondetektorer. (Andre neutrino -eksperimenter bruger, for eksempel, vand, olie, kulstof, eller plast som deres foretrukne detektionsmateriale.) DUNE-forskere havde brug for at forstå, hvordan de lavere energisignaler fra en supernova ville se ud i argon.

ArgoNeuT -samarbejdet er det første eksperiment, der hjælper med at besvare det spørgsmål, giver et slags første kapitel i guidebogen om, hvad man skal kigge efter, når en supernova -neutrino møder argon. Dens præstation kunne bringe os lidt tættere på at lære, hvad disse budbringere fra det ydre rum skal fortælle os.