Små partiklar som kallas neutrinoer är ett utmärkt verktyg för att studera atomkärnornas inre funktion. Till skillnad från elektroner eller protoner, neutriner har ingen elektrisk laddning, och de interagerar med en atomkärna endast via den svaga kärnkraften. Detta gör dem till ett unikt verktyg för att sondera materiens byggstenar. Men utmaningen är att neutrinoer är svåra att producera och upptäcka, och det är mycket svårt att bestämma energin som en neutrino har när den träffar en atom.

Denna vecka, en grupp forskare som arbetade med MiniBooNE-experimentet vid Department of Energy's Fermilab rapporterade ett genombrott:De kunde identifiera exakt kända energimuunneutriner som träffade atomer i hjärtat av partikeldetektorn. Resultatet eliminerar en stor osäkerhetskälla när man testar teoretiska modeller av neutrino -interaktioner och neutrinooscillationer.

"Frågan om neutrinoenergi är så viktig, "sa Joshua Spitz, Norman M. Leff assisterande professor vid University of Michigan och medledare för teamet som gjorde upptäckten, tillsammans med Joseph Grange vid Argonne National Laboratory. "Det är utomordentligt sällsynt att veta energin i en neutrino och hur mycket energi den överför till målatomen. För neutrinobaserade studier av kärnor, Detta är första gången det har uppnåtts. "

För att lära dig mer om kärnor, fysiker skjuter partiklar mot atomer och mäter hur de kolliderar och sprids. Om energin i en partikel är tillräckligt stor, en kärna som träffas av partikeln kan bryta isär och avslöja information om de subatomära krafterna som binder kärnan tillsammans.

Men för att få de mest exakta mätningarna, vetenskapsmän måste veta den exakta energin för partikeln som bryter upp atomen. Den där, dock, är nästan aldrig möjligt när man gör experiment med neutrinoer.

Liksom andra muonneutrino -experiment, MiniBooNE använder en stråle som omfattar muonneutrinoer med en rad olika energier. Eftersom neutriner inte har någon elektrisk laddning, forskare har inget "filter" som gör att de kan välja neutrinoer med en specifik energi.

MiniBooNE -forskare, dock, kom på ett smart sätt att identifiera energin i en delmängd av muonneutrinerna som träffar deras detektor. De insåg att deras experiment tar emot några muonneutriner som har den exakta energin på 236 miljoner elektronvolt (MeV). Dessa neutrinoer härrör från kaons sönderfall i vila cirka 86 meter från MiniBooNE -detektorn som kommer från aluminiumkärnan i partikelabsorbenten i NuMI -strållinjen, som byggdes för andra experiment på Fermilab.

Energiska kaoner förfaller till muonneutriner med en rad energier. Tricket är att identifiera muonneutriner som kommer från kaons sönderfall i vila. För att bevara energi och momentum krävs sedan att alla muonneutriner som kommer från kaon-at-rest-förfallet måste ha exakt energin på 236 MeV.

"Det är inte ofta inom neutrinofysik som du känner till energin i den inkommande neutrino, "sa MiniBooNE-talesperson Richard Van De Water från Los Alamos National Laboratory." Med den första observationen av MiniBooNE av monoenergetiska muonneutriner från kaonförfall, vi kan studera de laddade ströminteraktionerna med en känd sond som gör det möjligt för teoretiker att förbättra sina tvärsnittsmodeller. Detta är ett viktigt arbete för de framtida korta och långa baslinjen för neutrino på Fermilab. "

Denna analys genomfördes med data som samlats in från 2009 till 2011.

"Resultatet är anmärkningsvärt, sa Rex Tayloe, med-talesperson för MiniBooNE-samarbetet och professor i fysik vid Indiana University Bloomington. "Vi kunde extrahera detta resultat på grund av den väl förstådda MiniBooNE-detektorn och våra tidigare noggranna studier av neutrino-interaktioner under 15 års datainsamling."

Spitz och hans kollegor arbetar redan med nästa monoenergetiska neutrino -resultat. En andra neutrino -detektor som ligger nära MiniBooNE, kallad MicroBooNE, tar också emot muonneutriner från NuMI -absorbatorn, 102 meter bort. Eftersom MicroBooNE använder vätske-argon-teknik för att registrera neutrino-interaktioner, Spitz är optimistisk att MicroBooNE -data kommer att ge ännu mer information.

"MicroBooNE kommer att ge mer exakta mätningar av denna kända energinutrino, "sa han." Resultaten kommer att vara extremt värdefulla för framtida experiment med neutrinooscillation. "

MiniBooNE -resultatet publicerades den 6 april, 2018, frågan om Fysiska granskningsbrev .