Forskare löser neutrino -mysterier genom att se dem interagera med detektorer - specifikt med atomkärnorna i detektormaterialet. För det mesta, en neutrino skakar inte ens hand med en kärna. Men när det gör det, den lätta, neutral partikel kan förvandlas till en laddad partikel och slå ut saker ur kärnan när den slipper - vilket lämnar en brottsplats bakom sig. Forskare vid Fermilabs MINERvA -experiment rekonstruerade brottsplatsen som skilde ut underliggande fenomen för att få en klar bild av vad som hände.

Neutrinos är lätta partiklar som sällan interagerar med materia. Deras ovilja att interagera gör dem svåra att studera, men de är också själva partiklarna som kan svara på långvariga frågor om skapandet av kosmos. Genom att studera spåren lämnar neutriner efter sig, forskare samlade mer information om innebörden av dessa spår. Ju mer information de har, desto bättre neutrino -mätningar - inte bara på MINERvA, men vid andra neutrino experiment också.

Neutrinos brukar segla genom materia utan att stöta på den. Men då och då, den skakar hand med en kärna, och ibland tar handslaget en destruktiv vändning:En laddad lepton (en elektron eller muon) produceras, medan kärnornas beståndsdelar slås ut. En partikeldetektor samlar spåren efter det laddade leptonet och knock-out.

MINERvA -forskare studerar de resulterande partiklarnas spår för att rekonstruera interaktionen mellan neutrinoerna och kärnorna. Än så länge, detta har inte varit en lätt uppgift:kärnkraftseffekter har dolt mycket av bevisen för de inkräktande neutrinerna, lämnar forskare med komplex och till synes irrelevant information. Inte alla neutriner uppför sig illa, men, tyvärr, neutrinerna vi bryr oss om - de med energi som kan jämföras med massan av beståndsdelarna i kärnorna och eventuellt kan berätta om skapandet av kosmos - har alla denna metod operandi.

För att rekonstruera den resulterande brottsplatsen, forskare behöver en fullständig förståelse för hur kärnkraftseffekterna fungerar. Både den laddade leptonen och knock-out behåller partiella fingeravtryck från den ursprungliga neutrino, och dessa partiella fingeravtryck ligger tvetydigt ovanpå kärnkraftseffekten. Forskare har funnit att de kan lyfta fingeravtryck via en ny neutrino CSI-teknik som kallas slutstatskorrelationer. De fina detaljerna om kärnkraftseffekterna blir tydliga först när andra effekter tas bort.

För att få en känsla av tekniken för slutstatskorrelationer, låt oss ta ett steg tillbaka och titta på händelserna som leder till brottsplatsen:En neutrino stöter på en kärna. Interaktionen producerar andra partiklar. De nya partiklarna-laddad lepton och knock-out-flyger iväg i motsatta riktningar, lämnar spår av sig själva i detektorn.

Om kärnan var en ledig åskådare, dessa flyktingar skulle fly från scenen rygg mot rygg, kanske den ena österut och den andra västerut. Men i verkligheten, den laddade leptons österrörelse stämmer inte överens med knock-out-partikelns västerrörelse. Dessa subtila momentumskillnader är ledtrådar; de speglar allt som händer inuti kärnan, som en skugga av brottsplatsen som kastas av ficklampan som bärs av neutrino. Således, neutriner kastar inga skuggor - bara kärnkraftseffekter gör det. Slutstatskorrelationstekniken matchar kärnkraftseffekterna med postinteraktionspartiklarnas avgångar från samma öst-västmoment.

Forskare använde den nya tekniken. De lade fram en detaljerad rekonstruktion av kärnkraftseffekterna. De underliggande fenomenen - till exempel kärnans ursprungliga tillstånd, ytterligare knock-out mekanism, och slutstatens interaktioner mellan knock-out och resten av kärnan-separeras nu.