Ett experiment på Department of Energy's Fermilab har gjort ett betydande framsteg i upptäckten av neutrinoer som gömmer sig vid lägre energier.

ArgoNeuT -experimentet visade nyligen för första gången att en viss klass av partikeldetektorer - de som använder flytande argon - kan identifiera signaler i ett energiområde som partikelfysiker kallar "MeV -intervallet". Det är det första materiella steget för att bekräfta att forskare kommer att kunna upptäcka ett brett energiområde för neutrinoer-även de som är svårare att fånga, lägre energier - med det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE, värd av Fermilab. DUNE är planerad att starta i mitten av 2020-talet.

Neutrinos är lätta, svårfångade och subtila partiklar som färdas nära ljusets hastighet och har ledtrådar om universums utveckling. De produceras i radioaktiva sönderfall och andra kärnreaktioner, och ju lägre deras energi, desto svårare är de att upptäcka.

I allmänhet, när en neutrino träffar en argonkärna, interaktionen genererar andra partiklar som sedan lämnar detekterbara spår i argonhavet. Dessa partiklar varierar i energi.

Forskare är ganska skickliga på att reta ut partiklar med högre energi-de med mer än 100 MeV (eller megaelektronvolts)-från sina vätske-argondetektordata. Dessa partiklar zip genom argon, lämnar efter sig vad som ser ut som långa spår i visuella visningar av data.

Sikta ut partiklar i nedre delen, enkelsiffrigt MeV-sortiment är tuffare, som att försöka extrahera de bättre dolda nålarna i den ordspråkliga höstacken. Det beror på att partiklar med lägre energi inte lämnar så mycket spår i flytande argon. De gör inte så mycket zip som blip.

Verkligen, efter simulering av neutrino -interaktioner med flytande argon, ArgoNeuT-forskare förutspådde att MeV-energipartiklar skulle produceras och att de skulle synas som små blippar i visuella data. Där partiklar med högre energi visar sig som ränder i argonet, MeV -partiklarnas signalerande signatur skulle vara små prickar.

Och detta var utmaningen som ArgoNeuT-forskare ställdes inför:Hur hittar du de små blipparna och prickarna i datan? Och hur kontrollerar du att de betyder faktiska partikelinteraktioner och inte bara är buller? De typiska teknikerna, metoderna för att identifiera långa spår i flytande argon, skulle inte gälla här. Forskare måste komma på något annat.

Och det gjorde de:ArgoNeuT utvecklade en metod för att identifiera och avslöja blippliknande signaler från MeV-partiklar. De började med att jämföra två olika kategorier:blipp som åtföljdes av kända neutrinohändelser och blipp utan ledsagning av neutrinohändelser. Till sist, de utvecklade en ny lågenergispecifik rekonstruktionsteknik för att analysera ArgoNeuTs faktiska experimentella data för att leta efter dem.

Och de hittade dem. De observerade blippsignalerna, som matchade de simulerade resultaten. Inte bara det, men signalerna kom högt och tydligt:​​ArgoNeuT identifierade MeV -signaler som ett överskott på 15 sigma, mycket högre än standarden för att göra anspråk på en observation i partikelfysik, vilket är 5 sigma (vilket betyder att det finns en chans på 1 på 3,5 miljoner att signalen är en lyckträff.)

ArgoNeuTs resultat visar en kapacitet av avgörande betydelse för att mäta MeV -neutrinohändelser i flytande argon.

Intressant nog, neutriner födda i en supernova faller också in i MeV -intervallet. ArgoNeuTs resultat ger DUNE-forskare ett steg upp i ett av dess forskningsmål:att förbättra vår förståelse av supernovor genom att studera strömmen av neutriner som flyr inifrån den exploderande stjärnan när den kollapsar.

Den enorma DUNE -partikeldetektorn, ska ligga under jorden vid Sanford Lab i South Dakota, kommer att fyllas med 70, 000 ton flytande argon. När neutrinoer från en supernova passerar den massiva volymen av argon under jordens yta, vissa kommer att stöta på argonatomerna, producerar signaler som samlas in av DUNE-detektorn. Forskare kommer att använda data som samlats in av DUNE för att mäta supernova neutrinoegenskaper och fylla i bilden av stjärnan som producerade dem, och till och med potentiellt bevittna födelsen av ett svart hål.

Partikeldetektorer tog upp en handfull neutrinosignaler från en supernova 1987, men ingen av dem var flytande-argondetektorer. (Andra neutrinoexperiment använder, till exempel, vatten, olja, kol, eller plast som det valda detektionsmaterialet.) DUNE-forskare behövde förstå hur lägre energisignaler från en supernova skulle se ut i argon.

ArgoNeuT -samarbetet är det första experimentet för att svara på den frågan, tillhandahåller ett slags första kapitel i guideboken om vad man ska leta efter när en supernova -neutrino möter argon. Dess prestation kan föra oss lite närmare att lära oss vad dessa budbärare från yttre rymden kommer att behöva berätta för oss.