At rette op på en forkert, kernefysikere forbedrer præcisionen af ​​neutrinoundersøgelser

Ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, en ny undersøgelse afklarer en uoverensstemmelse med hensyn til den største bidragyder til uønskede baggrundssignaler i specialiserede detektorer af neutrinoer. Bedre karakterisering af baggrunden kunne forbedre nuværende og fremtidige eksperimenter for at detektere rigtige signaler fra disse svagt interagerende, elektrisk neutrale subatomære partikler og forstå deres rolle i universet.

"Vi har identificeret en reaktion med betydelige uoverensstemmelser mellem vores nye måling og de historiske data, " sagde ORNLs Michael Febbraro, hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve der giver en forbedret måling af reaktionen. "Det er en af ​​de ældste reaktioner, der nogensinde er undersøgt, og vi opdager stadig nye ting om det."

En ældre måling fra 2005, som var blevet brugt som referencestandard, var blevet analyseret forkert. Den betragtede kun grundtilstanden af ​​partikler snarere end et spektrum af grundtilstande og exciterede tilstande. Den nye måling, taget ved hjælp af et detektorarray baseret på neutronspektroskopi og sekundære gammastråler, betragtet hele spektret af partikelenergier.

Febbraro, hvem udtænkte eksperimentet og byggede detektorerne, udførte målingen med Richard deBoer fra University of Notre Dame og Steven Pain fra ORNL. Andre medforfattere repræsenterer University of Surrey; University of Michigan, Ann Arbor; University of Tennessee, Knoxville; og Rutgers University.

Disse kernefysikere satte sig ikke for at studere neutrinoegenskaber; de er normalt optaget af atomkerner og deres interaktioner. Men i videnskaben, opdagelser i et område har ofte stor indvirkning på andre områder.

En velkendt nuklear reaktion gør kulstof-13 til oxygen-16 og en neutron. Den samme reaktion er en væsentlig bidragyder til baggrunden i eksperimenter, der måler neutrinoer, om de udsendes fra solen, atmosfære, acceleratorer, atomreaktorer eller jordens kerne.

Hastigheden af ​​den reaktion skal være velkendt for nøjagtigt at beregne baggrunden i detektorer som Japans Kamioka væskescintillator antineutrino detektor, eller KamLAND. Ved at bruge en University of Notre Dame accelerator, forskerne skød en alfapartikel (dvs. helium-4 kerne) ved et mål på kulstof-13, kortvarigt danner oxygen-17, som henfaldt til oxygen-16 og en neutron. Forskerne målte "tværsnittet, "eller sandsynligheden for, at en reaktion finder sted, som er proportional med neutronproduktionshastigheden.

"Vi fandt ud af, at det nuværende verdensdatasæt er en del forkert, fordi de ikke tog højde for andre reaktionskanaler, der tændes, " sagde Febbraro. "Vi har en speciel type detektor, som kan fortælle, hvad neutronenergien er, og det var den vigtigste muliggørende teknologi, der gjorde denne måling mulig."

Neutrino-detektorer skal være store for at booste svage signaler. KamLAND er fyldt med en kulbrinte-baseret scintillator, en olie, der interagerer med neutrinoer og udsender lys. Disse gnistre gør det nemmere at få øje på og tælle de undvigende neutrinoer. Imidlertid, henfaldsprodukter af radon, en naturligt forekommende radioaktiv gas, kombineres med kulstof-13, en sjælden isotop af kulstof til stede i scintillatoren, skabe oxygen-16 og neutroner, der efterligner signaler fra neutrinoer.

KamLAND vejer cirka tusinde tons. Så, mens kulstof-13 kun udgør 1,1 % af alt kulstof, KamLAND indeholder 10 tons af det. Radon, der kommer ind i detektoren, henfalder til datterelementer med forskellige energier. Alfapartiklerne produceret af disse henfald interagerer med kulstof-13, skabe en baggrund, der overvælder neutrinosignalet. "Det er den vigtigste kilde til baggrund i disse eksperimenter, " sagde Febbraro.

Den tidligere referencemåling af reaktionen havde kun målt kerner ved det laveste energiniveau, eller grundtilstand. Men kerner lever også på højere energiniveauer, kaldet ophidsede tilstande. Forskellige energiniveauer påvirker sandsynligheden for, at en reaktion vil tage en bestemt vej.

"Vi forbedrede i høj grad præcisionen og nøjagtigheden af ​​målingerne ved at bruge et setup, der er følsomt over for et spektrum af neutronenergier, " sagde Febbraro.

Det globale videnskabelige samfund gør brug af evaluerede nukleare databaser, der indeholder ekspertgenererede, peer-reviewed referencemålinger. For at vurdere KamLANDs baggrund, KamLAND-fysikere hentede referencemålingen fra 2005 genereret af kernefysikere fra en af ​​disse databaser, det japanske Evaluated Nuclear Data Library. De antog, at målingen var korrekt og tilsluttede den i deres beregninger.

"Antagelsen om, at de ophidsede tilstande ikke betyder noget, er ikke sand, " sagde Febbraro. "Inklusive de ophidsede tilstande ændrer ikke kun størrelsen af ​​den baggrund, det forårsager i KamLAND, men påvirker også flere aspekter af neutrinosignalet."

ORNL fysiker Kelly Chipps, som hjalp med at analysere dataene og fortolke resultaterne sammen med sin ORNL-kollega Michael Smith, var enige.

"Baggrund er noget, du skal forstå præcist, sagde hun. Ellers antallet af virkelige begivenheder, du så, kan være helt forkert."

Spørger en stor, scintillatorfyldt neutrinodetektor til at skelne baggrund fra signal er som at have bind for øjnene, fodret med chokolade med enten rød eller grøn slikbelægning, og bedt om at fortælle, hvor mange røde chokolader du spiste.

"Problemet er, alle slik smager ens, " sagde Chipps. "For at finde ud af, hvor mange røde slik du spiste, du ville tælle det samlede antal slik og ringe til chokoladeproducenten for at spørge, hvor mange røde slik der generelt er i en pose."

Ligesom at kende dette forhold ville lade dig foretage et skøn over slik mængder, referenceoplysningerne i evaluerede nukleare databaser lader videnskabsmænd estimere neutrino-tal.

"Det viser sig, at vores eksperiment fik et andet svar, end hvad 'slikproducenten' sagde, at forholdet skulle være, " fortsatte Chipps. "Dette er ikke fordi producenten mente at give et forkert svar; det er fordi deres sorteringsmaskine var programmeret med den forkerte værdi."

Den nye neutronproduktionshastighed fundet af Febbraro og hans kernefysikkolleger kan nu bruges af fysikerne, der arbejder på KamLAND og andre væskescintillatorbaserede neutrinoeksperimenter til at trække baggrunden fra med bedre nøjagtighed og præcision.

Siden denne nye måling, Febbraros team har brugt den specielle detektor til at måle lignende reaktioner. De har fundet uoverensstemmelser i neutronproduktionshastigheder for et halvt dusin isotoper. "Beregninger i denne masseregion er ikke særlig pålidelige, " han sagde.

Titlen på Fysisk gennemgangsbreve papiret er "Ny ¹³ C(α, n) ¹⁶ O Tværsnit med implikationer for Neutrino-blanding og Geoneutrino-målinger." Detektorudvikling blev støttet af DOE Office of Science. Målingen blev foretaget på University of Notre Dame Nuclear Science Laboratory, som er støttet af National Science Foundation.