Leds av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, en ny studie reder ut en diskrepans angående den största bidragsgivaren till oönskade bakgrundssignaler i specialiserade detektorer av neutriner. Bättre karaktärisering av bakgrund kan förbättra nuvarande och framtida experiment för att upptäcka verkliga signaler från dessa svagt interagerande, elektriskt neutrala subatomära partiklar och förstå deras roll i universum.

"Vi har identifierat en reaktion med betydande avvikelser mellan vår nya mätning och historiska data, " sa ORNLs Michael Febbraro, huvudförfattare till en studie publicerad i Fysiska granskningsbrev som ger en förbättrad mätning av reaktionen. "Det är en av de äldsta reaktionerna som någonsin studerats, och vi upptäcker fortfarande nya saker om det."

En äldre mätning från 2005, som hade använts som referensstandard, hade analyserats felaktigt. Den tog bara hänsyn till partiklarnas grundtillstånd snarare än ett spektrum av marktillstånd och exciterade tillstånd. Den nya mätningen, tagna med hjälp av en detektoruppsättning baserad på neutronspektroskopi och sekundära gammastrålar, betraktade hela spektrumet av partikelenergier.

Febbraro, vem tänkte på experimentet och byggde detektorerna, utförde mätningen med Richard deBoer från University of Notre Dame och Steven Pain från ORNL. Andra medförfattare representerar University of Surrey; Michigans universitet, Ann Arbor; University of Tennessee, Knoxville; och Rutgers University.

Dessa kärnfysiker satte sig inte för att studera neutrinos egenskaper; de sysslar vanligtvis med atomkärnor och deras interaktioner. Men inom vetenskapen, upptäckter i ett område har ofta stor inverkan på andra områden.

En välkänd kärnreaktion förvandlar kol-13 till syre-16 och en neutron. Samma reaktion är en stor bidragande orsak till bakgrunden i experiment som mäter neutriner, om de sänds ut från solen, atmosfär, acceleratorer, kärnreaktorer eller jordens kärna.

Reaktionshastigheten måste vara välkänd för att exakt beräkna bakgrund i detektorer som Japans Kamioka flytande scintillator antineutrino detektor, eller KamLAND. Med hjälp av en accelerator från University of Notre Dame, forskarna sköt en alfapartikel (dvs. helium-4-kärna) vid ett mål för kol-13, kortvarigt bildar oxygen-17, som sönderföll till oxygen-16 och en neutron. Forskarna mätte "tvärsnittet, "eller sannolikheten för att en reaktion äger rum, som är proportionell mot hastigheten för neutronproduktion.

"Vi fann att den nuvarande världsdatauppsättningen är felaktig med en hel del, eftersom de inte tog hänsyn till andra reaktionskanaler som slås på, " sa Febbraro. "Vi har en speciell typ av detektor som kan berätta vad neutronenergin är, och det var den främsta möjliga tekniken som gjorde denna mätning möjlig. "

Neutrinodetektorer måste vara stora för att förstärka svaga signaler. KamLAND är fylld med en kolvätebaserad scintillator, en olja som interagerar med neutrinoer och avger ljus. Dessa gnistrar gör det lättare att upptäcka och räkna de svårfångade neutrinerna. Dock, sönderfallsprodukter av radon, en naturligt förekommande radioaktiv gas, kombinera med kol-13, en sällsynt isotop av kol som finns i scintillatorn, skapar syre-16 och neutroner som härmar signaler från neutriner.

KamLAND väger cirka tusen ton. Så, medan kol-13 bara står för 1,1 % av allt kol, KamLAND innehåller 10 ton av det. Radon som kommer in i detektorn sönderfaller till dotterelement med olika energier. Alfapartiklarna som produceras av dessa sönderfall interagerar med kol-13, skapa en bakgrund som överväldigar neutrinosignalen. "Det är den huvudsakliga bakgrundskällan i dessa experiment, "Sa Febbraro.

Den tidigare referensmätningen av reaktionen hade endast uppmätt kärnor vid den lägsta energinivån, eller grundtillstånd. Men kärnor lever också på högre energinivåer, kallas upphetsade tillstånd. Olika energinivåer påverkar sannolikheten för att en reaktion tar en specifik väg.

"Vi förbättrade avsevärt precisionen och noggrannheten i mätningarna genom att använda en uppsättning som är känslig för ett spektrum av neutronenergier, " sa Febbraro.

Det globala vetenskapliga samfundet använder utvärderade kärnkraftsdatabaser som innehåller expertgenererade, peer-reviewed referensmätningar. För att uppskatta KamLANDs bakgrund, KamLAND-fysiker hämtade 2005 års referensmätning som genererades av kärnfysiker från en av dessa databaser, japanska Evaluated Nuclear Data Library. De antog att måttet var korrekt och kopplade in det i sina beräkningar.

"Antagandet att de upphetsade tillstånden inte spelar någon roll är inte sant, " Sa Febbraro. "Inklusive de upphetsade tillstånden förändras inte bara storleken på bakgrunden det orsakar i KamLAND, men påverkar också flera aspekter av neutrinosignalen."

ORNL fysiker Kelly Chipps, som hjälpte till att analysera data och tolka resultaten tillsammans med sin ORNL-kollega Michael Smith, gick med på.

"Bakgrund är något som du måste förstå exakt, sa hon. Annars, antalet verkliga händelser som du såg kan vara helt fel."

Frågar en stor, scintillatorfylld neutrinodetektor för att skilja bakgrund från signal är som att ha ögonbindel, matad choklad med antingen en röd eller grön godisöverdrag, och bad att berätta hur många röd choklad du åt.

"Problemet är, alla godisar smakar likadant, " sa Chipps. "För att räkna ut hur många röda godis du åt, du skulle räkna det totala antalet godisar och ringa chokladtillverkaren för att fråga hur många röda godisar som vanligtvis finns i en påse."

Precis som att veta detta förhållande skulle låta dig göra en uppskattning om godiskvantiteter, referensinformationen i utvärderade kärnkraftsdatabaser låter forskare uppskatta neutrinotal.

"Det visar sig att vårt experiment fick ett annat svar än vad" godisproducenten "sa att förhållandet borde vara, " Fortsatte Chipps. "Detta beror inte på att tillverkaren menade att ge ett felaktigt svar; det är för att deras sorteringsmaskin var programmerad med fel värde. "

Den nya neutronproduktionshastigheten som hittats av Febbraro och hans kärnfysikkollegor kan nu användas av fysikerna som arbetar med KamLAND och andra vätskescintillatorbaserade neutrinoexperiment för att subtrahera bakgrund med bättre noggrannhet och precision.

Sedan denna nya mätning, Febbraros team har använt den speciella detektorn för att mäta liknande reaktioner. De har funnit avvikelser i neutronproduktionstakten för ett halvt dussin isotoper. "Beräkningar i denna massregion är inte särskilt tillförlitliga, " han sa.

Titeln på Fysiska granskningsbrev papper är "Ny ¹³ C(α, n) ¹⁶ O Tvärsnitt med konsekvenser för Neutrino-blandning och Geoneutrino-mätningar." Detektorutveckling stöddes av DOE Office of Science. Mätningen gjordes vid University of Notre Dame Nuclear Science Laboratory, som stöds av National Science Foundation.