Forskare hänvisar ofta till neutrinon som "spökpartikeln". Neutrinos var en av de mest förekommande partiklarna vid universums ursprung och förblir så idag. Fusionsreaktioner i solen producerar stora arméer av dem, som öser ner på jorden varje dag. Biljoner passerar genom våra kroppar varje sekund, flyg sedan genom jorden som om den inte var där.

"Medan det först postulerades för nästan ett sekel sedan och först upptäcktes för 65 år sedan, neutrinos förblir höljda i mystik på grund av deras ovilja att interagera med materia, " sa Alessandro Lovato, en kärnfysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory.

Lovato är medlem i ett forskarlag från fyra nationella laboratorier som har konstruerat en modell för att ta itu med ett av de många mysterierna om neutriner – hur de interagerar med atomkärnor, komplicerade system gjorda av protoner och neutroner ("nukleoner") sammanbundna av den starka kraften. Denna kunskap är avgörande för att avslöja ett ännu större mysterium - varför neutrinoer under deras resa genom rymden eller materien förvandlas magiskt från en till en annan av tre möjliga typer eller "smaker".

För att studera dessa svängningar, två uppsättningar experiment har genomförts vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (MiniBooNE och NOvA). I dessa experiment, forskare genererar en intensiv ström av neutriner i en partikelaccelerator, skicka dem sedan till partikeldetektorer över en lång tidsperiod (MiniBooNE) eller femhundra mil från källan (NOvA).

Att känna till den ursprungliga fördelningen av neutrinosmaker, experimentalisterna samlar sedan in data relaterade till neutrinernas interaktioner med atomkärnorna i detektorerna. Från den informationen, de kan beräkna eventuella förändringar i neutrino -smakerna över tid eller avstånd. När det gäller MiniBooNE- och NOvA-detektorerna, kärnorna kommer från isotopen kol-12, som har sex protoner och sex neutroner.

"Vårt team kom in i bilden eftersom dessa experiment kräver en mycket exakt modell av neutrinos interaktioner med detektorkärnorna över ett stort energiområde, sa Noemi Rocco, en postdoc i Argonnes fysikavdelning och Fermilab. Med tanke på neutrinos svårfångade, Att få en heltäckande beskrivning av dessa reaktioner är en formidabel utmaning.

Teamets kärnfysikmodell av neutrinointeraktioner med en enda nukleon och ett par av dem är den mest exakta hittills. "Vårt är det första tillvägagångssättet för att modellera dessa interaktioner på en sådan mikroskopisk nivå, " sa Rocco. "Tidigare inflygningar var inte så finkorniga."

Ett av teamets viktiga upptäckter, baserat på beräkningar utförda på den nu pensionerade superdatorn Mira vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), var att nukleonpar -interaktionen är avgörande för att modellera neutrino -interaktioner med kärnor exakt. ALCF är en DOE Office of Science-användaranläggning.

"Ju större kärnor i detektorn, ju större sannolikhet är att neutrinonen kommer att interagera med dem, " sa Lovato. "I framtiden, vi planerar att utöka vår modell till data från större kärnor, nämligen, de av syre och argon, till stöd för experiment planerade i Japan och USA."

Rocco tillade att "För dessa beräkningar, vi kommer att lita på ännu kraftfullare ALCF datorer, det befintliga Theta-systemet och den kommande exascale-maskinen, Aurora."

Forskare hoppas att så småningom, en fullständig bild kommer att framträda av smakoscillationer för både neutrinoer och deras antipartiklar, kallas "antinutrinos". Den kunskapen kan kasta ljus över varför universum är byggt av materia istället för antimateria - en av de grundläggande frågorna om universum.

Pappret, med titeln "Ab Initio Study of (νℓ, ℓ−) och (ν¯ℓ, ℓ+) Inkluderande spridning i C12:Konfrontera MiniBooNE och T2K CCQE-data, " publiceras i Fysisk granskning X . Förutom Rocco och Lovato, författare inkluderar J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory), och R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).