Bybrydende MicroBooNE-måling belyser neutrino-interaktioner

Fysikere, der studerer spøgelseslignende partikler kaldet neutrinoer fra det internationale MicroBooNE-samarbejde har rapporteret om en første af sin slags måling:et omfattende sæt af energiafhængige neutrino-argon-interaktionstværsnit. Denne måling markerer et vigtigt skridt i retning af at nå de videnskabelige mål for næste generation af neutrinoeksperimenter – nemlig Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Neutrinoer er bittesmå subatomære partikler, der både er berømt undvigende og enormt rigelige. Mens de uendeligt bombarderer hver tomme af Jordens overflade med næsten lysets hastighed, kan neutrinoer rejse gennem et lysårs bly uden nogensinde at forstyrre et eneste atom. At forstå disse mystiske partikler kunne låse op for nogle af universets største hemmeligheder.

MicroBooNE-eksperimentet, der er placeret ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Fermi National Accelerator Laboratory, har indsamlet data om neutrinoer siden 2015, delvist som et testbed for DUNE, som i øjeblikket er under konstruktion. For at identificere undvigende neutrinoer bruger begge eksperimenter et støjsvagt flydende-argon-tidsprojektionskammer (LArTPC) - en sofistikeret detektor, der fanger neutrinosignaler, når partiklerne passerer gennem koldt flydende argon holdt ved -303 grader Fahrenheit. MicroBooNE-fysikere har forfinet LArTPC-teknikker til storskaladetektorer ved DUNE.

Nu har en holdindsats ledet af forskere ved DOE's Brookhaven National Laboratory, i samarbejde med forskere fra Yale University og Louisiana State University, yderligere forfinet disse teknikker ved at måle neutrino-argon-tværsnittet. Deres arbejde er offentliggjort i dag i Physical Review Letters .

"Neutrino-argon-tværsnittet repræsenterer, hvordan argonkerner reagerer på en hændende neutrino, såsom dem i neutrinostrålen produceret af MicroBooNE eller DUNE," sagde Brookhaven Lab-fysiker Xin Qian, leder af Brookhavens MicroBooNE-fysikgruppe. "Vores ultimative mål er at studere neutrinoers egenskaber, men først skal vi bedre forstå, hvordan neutrinoer interagerer med materialet i en detektor, såsom argonatomer."

En af de vigtigste neutrinoegenskaber, som DUNE vil undersøge, er, hvordan partiklerne svinger mellem tre forskellige "smag":myonneutrino, tau-neutrino og elektronneutrino. Forskere ved, at disse svingninger blandt andet afhænger af neutrinoers energi, men den energi er meget udfordrende at estimere. Ikke alene er neutrinointeraktioner ekstremt komplekse i naturen, men der er også en stor energispredning inden for hver neutrinostråle. Bestemmelse af de detaljerede energiafhængige tværsnit giver fysikere en vigtig information til at studere neutrinoscillationer.

"Når vi kender tværsnittet, kan vi vende beregningen for at bestemme den gennemsnitlige neutrinoenergi, smag og oscillationsegenskaber fra et stort antal interaktioner," sagde Brookhaven Lab postdoc Wenqiang Gu, der ledede fysikanalysen.

For at opnå dette udviklede holdet en ny teknik til at udtrække det detaljerede energiafhængige tværsnit.

"Tidligere teknikker målte tværsnittet som en funktion af variabler, der let rekonstrueres," sagde London Cooper-Troendle, en kandidatstuderende fra Yale University, som er udstationeret på Brookhaven Lab gennem DOE's Graduate Student Research Program. "For eksempel, hvis du studerer en myon-neutrino, ser du generelt en ladet myon komme ud af partikelinteraktionen, og denne ladede muon har veldefinerede egenskaber som dens vinkel og energi. Så man kan måle tværsnittet som en funktion af myonvinklen eller energien. Men uden en model, der nøjagtigt kan redegøre for "manglende energi", et udtryk vi bruger til at beskrive yderligere energi i neutrino-interaktionerne, som ikke kan tilskrives de rekonstruerede variabler, ville denne teknik kræve eksperimenter at handle konservativt."

Forskerholdet ledet af Brookhaven forsøgte at validere neutrino-energigenopbygningsprocessen med hidtil uset præcision og forbedre teoretisk modellering af neutrino-interaktioner efter behov for DUNE. For at gøre det brugte teamet deres ekspertise og erfaringer fra tidligere arbejde med MicroBooNE-eksperimentet, såsom deres bestræbelser på at rekonstruere interaktioner med forskellige neutrinosmage.

"Vi tilføjede en ny begrænsning for markant at forbedre den matematiske modellering af neutrino-energirekonstruktion," sagde assisterende professor ved Louisiana State University Hanyu Wei, tidligere Goldhaber-stipendiat ved Brookhaven.

Holdet validerede denne nyligt begrænsede model mod eksperimentelle data for at producere den første detaljerede energiafhængige neutrino-argon tværsnitsmåling.

"Neutrino-argon tværsnitsresultaterne fra denne analyse er i stand til at skelne mellem forskellige teoretiske modeller for første gang," sagde Gu.

Mens fysikere forventer, at DUNE producerer forbedrede målinger af tværsnittet, danner metoderne udviklet af MicroBooNE-samarbejdet et grundlag for fremtidige analyser. Den nuværende tværsnitsmåling er allerede indstillet til at vejlede yderligere udvikling af teoretiske modeller.

I mellemtiden vil MicroBooNE-teamet fokusere på yderligere at forbedre sin måling af tværsnittet. Den nuværende måling blev udført i én dimension, men fremtidig forskning vil tackle værdien i flere dimensioner - det vil sige som en funktion af flere variabler - og udforske flere muligheder for underliggende fysik. + Udforsk yderligere

Spot accelerator-producerede neutrinoer i en kosmisk høstak