Forstå spøgelsespartikelinteraktioner

Forskere omtaler ofte neutrinoen som "spøgelsespartikelen". Neutrinoer var en af ​​de mest rigelige partikler ved universets oprindelse og forbliver det i dag. Fusionsreaktioner i solen producerer enorme hære af dem, som vælter ned på jorden hver dag. Trillioner passerer gennem vores kroppe hvert sekund, flyv derefter gennem Jorden, som om den ikke var der.

"Mens den første postulerede for næsten et århundrede siden og først blev opdaget for 65 år siden, neutrinoer forbliver indhyllet i mystik på grund af deres modvilje mod at interagere med stof, " sagde Alessandro Lovato, en kernefysiker ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory.

Lovato er medlem af et forskerhold fra fire nationale laboratorier, der har konstrueret en model til at adressere et af de mange mysterier om neutrinoer – hvordan de interagerer med atomkerner, komplicerede systemer lavet af protoner og neutroner ("nukleoner") bundet sammen af ​​den stærke kraft. Denne viden er essentiel for at optrevle et endnu større mysterium – hvorfor under deres rejse gennem rummet eller stof neutrinoer på magisk vis forvandles fra den ene til den anden af ​​tre mulige typer eller "smag".

For at studere disse svingninger, to sæt eksperimenter er blevet udført på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (MiniBooNE og NOvA). I disse forsøg, forskere genererer en intens strøm af neutrinoer i en partikelaccelerator, send dem derefter til partikeldetektorer over en lang periode (MiniBooNE) eller fem hundrede miles fra kilden (NOvA).

At kende den oprindelige fordeling af neutrinosmag, eksperimentalisterne indsamler derefter data relateret til neutrinoernes interaktioner med atomkernerne i detektorerne. Ud fra den information, de kan beregne eventuelle ændringer i neutrinosmagene over tid eller afstand. I tilfældet med MiniBooNE- og NOvA-detektorerne, kernerne er fra isotopen kulstof-12, som har seks protoner og seks neutroner.

"Vores team kom ind i billedet, fordi disse eksperimenter kræver en meget præcis model af neutrinoers interaktion med detektorkernerne over et stort energiområde, " sagde Noemi Rocco, en postdoc i Argonnes Fysik afdeling og Fermilab. I betragtning af neutrinoers undvigelighed, at opnå en omfattende beskrivelse af disse reaktioner er en formidabel udfordring.

Holdets kernefysikmodel af neutrino-interaktioner med en enkelt nukleon og et par af dem er den mest nøjagtige hidtil. "Vores er den første tilgang til at modellere disse interaktioner på et så mikroskopisk niveau, " sagde Rocco. "Tidligere tilgange var ikke så finkornede."

Et af holdets vigtige resultater, baseret på beregninger udført på den nu pensionerede Mira supercomputer på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), var, at nukleonpar-interaktionen er afgørende for at modellere neutrino-interaktioner med kerner nøjagtigt. ALCF er en DOE Office of Science-brugerfacilitet.

"Jo større kerner i detektoren, jo større sandsynlighed vil neutrinoerne interagere med dem, " sagde Lovato. "I fremtiden, vi planlægger at udvide vores model til data fra større kerner, nemlig dem af ilt og argon, til støtte for eksperimenter planlagt i Japan og USA "

Rocco tilføjede, at "Til disse beregninger, vi vil stole på endnu mere kraftfulde ALCF computere, det eksisterende Theta-system og den kommende exascale-maskine, Aurora."

Forskere håber, at til sidst, et komplet billede vil dukke op af smagsoscillationer for både neutrinoer og deres antipartikler, kaldet "antinutrinoer". Den viden kan kaste lys over, hvorfor universet er bygget af stof i stedet for antistof – et af de grundlæggende spørgsmål om universet.

Papiret, med titlen "Ab Initio Study of (νℓ, ℓ−) og (ν¯ℓ, ℓ+) Inklusiv spredning i C12:Konfrontation med MiniBooNE og T2K CCQE-data, " er udgivet i Fysisk gennemgang X . Udover Rocco og Lovato, forfattere inkluderer J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory), og R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).