Forskare studerar små partiklar som kallas neutriner för att lära sig om hur vårt universum utvecklades. Dessa partiklar, välkänd för att vara svår att upptäcka, kunde berätta historien om hur materia vann över antimateria en bråkdel av en sekund efter Big Bang och, följaktligen, varför vi är här överhuvudtaget.

Att komma till botten med den där splitsekundhistoriken innebär att upptäcka skillnaderna, om någon, mellan neutrinon och dess antimateriamotsvarighet, antineutrino.

Neutrinoexperimentet MINERvA på Fermilab lade nyligen till några detaljer till beteendeprofilerna för neutriner och antineutriner:Forskare mätte sannolikheten för att dessa berömda flyktiga partiklar skulle stanna i MINERvA-detektorn. Särskilt, de tittade på fall där en antineutrino som interagerar i detektorn producerade en annan partikel, en neutron – den där välbekanta partikeln som, tillsammans med protonen, utgör en atoms kärna.

MINERvAs studier av sådana fall gynnar andra neutrinoexperiment, som kan använda resultaten för att förfina sina egna mätningar av liknande interaktioner.

Det är typiskt att studera partiklarna som produceras av interaktionen mellan en neutrino (eller antineutrino) för att få en pärla på neutrinons beteende. Neutrinos är enkla flyktkonstnärer, och deras Houdini-liknande natur gör det svårt att mäta deras energier direkt. De seglar obehindrat genom allt – även bly. Forskare tipsas om den sällsynta neutrinointeraktionen genom produktionen av andra, lättare att upptäcka partiklar. De mäter och summerar energierna hos dessa utträdande partiklar och mäter därmed indirekt energin hos neutrinon som satte igång allt.

Denna speciella MINERvA-studie – antineutrino går in, neutronblad — är ett svårt fall. De flesta efterinteraktionspartiklar avsätter sin energi i partikeldetektorn, lämnar spår som forskare kan spåra tillbaka till den ursprungliga antineutrino (eller neutrino, som det kan vara).

Men i detta experiment, neutronen gör det inte. Den håller fast vid sin energi, lämnar nästan ingen kvar i detektorn. Resultatet är en praktiskt taget ospårbar, oredovisad energi som inte lätt kan föras in i energiböckerna. Och tyvärr, antineutrinos är bra på att producera energiavvikande neutroner.

Forskare gör det bästa av situationer med saknad energi. De förutspår, baserat på andra studier, hur mycket energi som går förlorad och korrigera för det.

För att ge forskarsamhället en databaserad, prediktivt verktyg för saknade energiögonblick, MINERvA samlade in data från den värsta situationen:En antineutrino träffar en kärna i detektorn och slår ut den ospårbara neutronen så nästan all energi som tillförs kärnan blir "poof". (Dessa interaktioner producerar också positivt laddade partiklar som kallas myoner som signalerar antineutrino-interaktionen.) Genom att studera denna speciella försvinnande handling, forskare kunde direkt mäta effekterna av den saknade energin.

Andra forskare kan nu leta efter dessa effekter, tillämpa lärdomarna på liknande fall. Till exempel, forskare på Fermilabs största operativa neutrinoexperiment, NOvA, och det japanska T2K-experimentet kommer att använda denna teknik i sina antineutrinomätningar. Och det Fermilab-värdade internationella Deep Underground Neutrino Experiment, mittpunkten i ett världsledande neutrinoprogram, kommer också att dra nytta av detta när den börjar samla in data på 2020-talet.

Neutronproduktionsfallet är bara en typ av interaktion med saknad energi, en av många. Så modellen som kommer ut ur den här MINERvA-studien är visserligen ofullkomlig. Det kan inte finnas en modell som passar alla som saknar energiscenarier. Men det ger fortfarande ett användbart verktyg för att sätta ihop en neutrinos energi – och det är en tuff uppgift oavsett vilka partiklar som kommer ut ur interaktionen.

"Denna analys är ett bra bevis på både detektorns förmåga att mäta neutrinointeraktioner och för samarbetets förmåga att utveckla nya strategier, " sa Fermilab-forskaren och MINERvA-medtalespersonen Deborah Harris. "När vi startade MINERvA, denna analys var inte ens en glimt i någons öga."

Det finns en bonus med denna senaste studie, för, en som stärker en utredning som genomfördes förra året.

För den tidigare utredningen, MINERvA fokuserade på neutrino (istället för antineutrino) interaktioner som slog ut proton-neutronpar (istället för ensamma neutroner eller protoner). I en detektor som MINERvA, en protons energi är mycket lättare att mäta än en neutrons, så den tidigare studien gav förmodligen mer exakta mätningar än den senaste antineutrino-studien.

Hur bra var dessa mätningar? MINERvA-forskare kopplade in värdena från den tidigare neutrinostudien i en modell av denna nya antineutrinostudie för att se vad som skulle komma ut. Ser man på, anpassningen till antineutrino-modellen förbättrade dess förmåga att förutsäga data.

Kombinationen av de två studierna ger neutrinofysikgemenskapen ny information om hur bra modeller klarar sig och var de kommer till korta. Sökningar efter det fenomen som kallas CP-kränkning – det som gör materia speciell jämfört med antimateria och gjorde det möjligt för den att erövra i striden efter Big Bang – beror på att man jämför neutrino- och antineutrinoprover och letar efter små skillnader. Stor, okända skillnader mellan neutrino- och antineutrino-reaktionsprodukter skulle dölja närvaron eller frånvaron av CP-signaturer.

"Vi är inte längre oroliga för stora skillnader, och vårt neutrinoprogram kan arbeta med små justeringar av kända skillnader, " sade University of Minnesota–Duluth fysiker Rik Gran, huvudförfattare till detta resultat.

MINERvA söker efter modeller som, med varje nytt test, bättre beskriva både neutrino- och antineutrinodata – och därmed historien om hur universum kom till.

Dessa resultat dök upp den 1 juni, 2018, i Fysiska granskningsbrev .