Genom att analysera data som samlats in för över åtta år sedan, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och Fermi National Accelerator Laboratory har gjort en potentiellt banbrytande upptäckt.

År 2002, forskare började Booster Neutrino Experiment, känd som MiniBooNE, på Fermilab för att lära dig mer om hur neutrinoer - mycket lätta, neutrala grundläggande partiklar - interagerar med materia. Forskare undersökte nyligen data från experimentet som togs mellan 2009 och 2011, och de hittade det första direkta beviset på mono-energiska neutriner, eller neutrinos med bestämd energi, som är tillräckligt energiska för att producera en myon.

Neutrinoer är extremt lätta och påverkas bara av den svaga subatomära kraften, så de interagerar sällan med materia. Faktiskt, de kunde färdas genom ljusår av bly innan de interagerar med det. Partiklarna är mycket svåra att upptäcka, men inte svårt att skapa. På grund av neutrinos undvikande, forskare måste arbeta med strålar som består av ett stort antal partiklar. De skjuter strålarna mot kärnor i en detektor, i hopp om att neutriner ska kollidera med målmaterialet.

"En komplikation av att använda dessa stora balkar är att neutrinoernas energier är mycket varierande och något oförutsägbara, "sa Argonne -fysikern Joe Grange, en av forskarna som hjälpte till att upptäcka monoenergetiska neutriner. "Detta gör det svårt att helt tolka uppgifterna."

Den nya upptäckten kan hjälpa experimentister att lösa detta problem. Forskarna insåg att monoenergetiska neutrinos släpptes från en närliggande neutrinostråle vid Fermilab, och de bestämde sig för att titta på MiniBooNE-data för att se om någon av dessa neutriner upptäcktes under det experimentet.

Säker nog, analys av MiniBooNE-data visade bevis på tusentals neutrino-kärnkollisioner där neutrinoerna alla startade med samma energi, 236 mega-elektron-volt (MeV). Under MiniBooNE -experimentet partiklar som kallas kaoner skapade i en protonabsorberare från ett annat experiment förfallna till partiklar som kallas muoner och muonneutriner. Muonneutrinerna reste sedan till MiniBooNE -detektorn. Eftersom kaonerna var i vila när de förföll, och eftersom de förfallit till endast två partiklar, neutrinerna hade alla samma mängd startenergi innan de kolliderade med kärnorna i MiniBooNE-detektorn.

En kaons förfall är en välkänd reaktion. "Med denna upptäckt, vi kan förbättra vår förståelse för hur neutrinoer interagerar med materia och också planera för framtida experiment som kan utnyttja denna interaktion för sökandet efter nya fysikprocesser, "sade Grange. Att kanalisera detta förfall som en källa till neutrinoer för experiment skulle eliminera osäkerheten hos neutrinoenergierna, göra analyser enklare och potentiellt mer upplysande.

Förutom att inspirera framtida experimentella inställningar, data hjälper också forskare att lära sig om kärnornas beteende när de bombarderas med neutrinoer och kan hjälpa dem att förfina modeller av interaktioner. När en myonneutrino kolliderar med en kärna i en detektor, en muon som har en av en rad olika energier kan dyka upp. Det är detta spektrum av möjliga energier från de nya myonerna som forskarna observerade direkt i denna studie, och det talar om hur neutrinon överför energi till kärnan vid kontakt.

"Mycket arbete har gjorts med att skjuta elektroner mot kärnor och se hur de beter sig elektromagnetiskt, "sade Grange." Men mindre arbete har gjorts för att se hur neutrinoer interagerar svagt på grund av hur svåra neutriner är att arbeta med. "

Den experimentella aspekten av denna upptäckt kan också hjälpa forskare att söka efter den teoretiserade sterila neutrino, en neutrino som bara interagerar genom gravitationskraften och inte den svaga kraften. Ett experiment från mitten av 1990-talet vid DOE:s Los Alamos National Laboratory gav neutrino-data som var oförenliga med data från ett separat experiment på det europeiska laboratoriet CERN, och den skillnaden kan förklaras av förekomsten av denna "spök" -partikel.

Det ursprungliga målet med MiniBooNE -experimentet var att bekräfta eller motbevisa förekomsten av sterila neutrinoer. Även om experimentet kan bli otydligt, den nya upptäckten från djupet av dess data kan hjälpa framtida experimentalister att upptäcka deras existens. Forskare arbetar redan mot experiment som kommer att använda neutriner från detta specifika kaonförfall för att söka efter sterila neutrinoer.

"Det är en trevlig historia om hur det gick nästan fem år innan vi insåg att det fanns något viktigt i data, " sade Grange. "Moralen i historien är att behålla all data och fortsätta tänka på vilken annan information som finns där som du ännu inte har extraherat."

Resultaten av studien publicerades i en uppsats med titeln "First Measurement of Monoenergetic Muon Neutrino Charged Current Interactions" i Fysiska granskningsbrev .