Denna display visar en CCQE-liknande händelse rekonstruerad i MINERvA-detektorn. Kredit:MINERvA
Svårt att tro att du kan spela biljard med neutrinoer, men vissa neutrino -interaktionshändelser är närmare spelet än du tror.
I dessa laddade ström kvasielastiska interaktioner-CCQE-interaktioner, kort sagt - en neutrino träffar en partikel i en atomkärna - en proton eller en neutron. Två partiklar kommer ut från kollisionen. En är en muon, en tyngre kusin till elektronen. Den andra är antingen en proton (om den stationära partikeln är en neutron) eller en neutron (om den stationära partikeln är en proton).
Neutrino -interaktionerna som följer av dessa kvasielastiska reaktioner är som kollisioner mellan bollar i ett poolspel:Du kan gissa energin hos den inkommande neutrino genom att mäta riktningen och energin för endast en av de utgående partiklarna, förutsatt att du känner till alla fyra partiklar som var i interaktionen i första hand och neutrinoens ursprungliga riktning.
CCQE -interaktioner är ett viktigt interaktionsläge för neutrinoer i nuvarande och framtida neutrinooscillationsexperiment, som det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, värd av Fermilab.
De liknar de elastiska interaktioner som varje poolspelare känner utom på ett viktigt sätt:Den svaga kärnkraften gör att partiklarna kan förändras från ett slag till ett annat, därav det "kvasielastiska" namnet. I detta subatomiska poolspel, cue -bollen (neutrino) träffar en stationär röd boll (proton), som kommer fram från kollisionen som en orange boll (neutron).
Eftersom de flesta moderna neutrino -experiment använder mål gjorda av tunga kärnor som sträcker sig från kol till argon, nukleära effekter och korrelationer mellan neutroner och protoner inuti kärnan kan orsaka betydande förändringar i de observerade interaktionshastigheterna och modifieringar av den uppskattade neutrinoenergin.
Denna diagram visar förhållandet mellan tvärsnitt som en funktion av Q2 av data och olika förutsägelser med avseende på en vanligt förekommande interaktionsmodell. Kredit:MINERvA
På MINERvA, forskare identifierar CCQE -interaktioner av ett långt muonspår kvar i partikeldetektorn och eventuellt ett eller flera protonspår. Dock, denna experimentella signatur kan ibland produceras av icke-CCQE-interaktioner på grund av kärnkraftseffekter inuti målkärnan. Liknande, kärnkraftseffekter kan också modifiera slutstatspartiklarna för att få en CCQE-händelse att se ut som en icke-CCQE-händelse och vice versa.
Eftersom kärnkraftseffekter kan göra det utmanande att identifiera en sann CCQE -händelse, MINERvA rapporterar mätningar baserade på egenskaperna hos endast de slutliga tillståndspartiklarna och kallar dem CCQE-liknande händelser (eftersom de kommer att ha bidrag från både äkta CCQE- och icke-CCQE-händelser). En CCQE-liknande händelse är en som har minst en utgående muon, valfritt antal protoner eller neutroner, och inga mesoner som slutstatspartiklar. (Mesoner, som protoner och neutroner, är gjorda av kvarker. Protoner och neutroner har tre kvarkar; mesoner har två.)
MINERvA har mätt sannolikheten för CCQE-liknande neutrino-interaktioner med hjälp av Fermilabs medel-energi-neutrino-stråle, med neutrinoflux som toppar vid 6 GeV. Jämfört med MINERvAs tidigare mätningar, som utfördes med en lågenergi-stråle (3 GeV topp neutrino flöde), denna mätning har fördelen av en bredare energiräckvidd och mycket större statistik:1, 318, 540 CCQE-liknande händelser jämfört med 109, 275 händelser i tidigare lågenergikörningar.
MINERvA gjorde dessa CCQE -interaktionssannolikhetsmätningar som en funktion av kvadraten i den momentum som överförs av neutrino till kärnan, som forskare betecknar som Q2. Diagrammet visar avvikelser mellan data och de flesta förutsägelser i låg-Q2 och hög-Q2 regioner. Genom att jämföra MINERvA:s mätning med olika modeller, forskare kan förfina dem och bättre förklara fysiken i kärnmiljön.
MINERvA har också gjort mer detaljerade mätningar av sannolikheten för neutrino -interaktion baserat på den utgående muons momentum. De tar hänsyn till muons momentum både i riktning mot den inkommande neutrinobanan och i riktningen vinkelrätt mot dess bana. Detta arbete hjälper nuvarande och framtida neutrino -experiment att förstå sina egna data över ett brett spektrum av muonkinematik.
Mateus Carneiro, tidigare vid Brazilian Center for Research in Physics och Oregon State University och nu vid Brookhaven National Laboratory, och Dan Ruterbories vid University of Rochester var de främsta drivkrafterna för denna analys. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev .
