Fysiker som studerar spökliknande partiklar som kallas neutrinos från det internationella MicroBooNE-samarbetet har rapporterat en första mätning i sitt slag:en omfattande uppsättning av energiberoende interaktionstvärsnitt mellan neutrino-argon. Denna mätning markerar ett viktigt steg mot att uppnå de vetenskapliga målen för nästa generations neutrinoexperiment – ​​nämligen Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Neutrinos är små subatomära partiklar som är både berömda svårfångade och oerhört rikliga. Medan de oändligt bombarderar varje tum av jordens yta med nästan ljusets hastighet, kan neutriner färdas genom ett ljusårsvärde av bly utan att någonsin störa en enda atom. Att förstå dessa mystiska partiklar kan låsa upp några av universums största hemligheter.

MicroBooNE-experimentet, som ligger vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Fermi National Accelerator Laboratory, har samlat in data om neutriner sedan 2015, delvis som en testbädd för DUNE, som för närvarande är under uppbyggnad. För att identifiera svårfångade neutriner använder båda experimenten en lågbrus flytande-argon-tidsprojektionskammare (LArTPC) - en sofistikerad detektor som fångar neutrinosignaler när partiklarna passerar genom kall flytande argon som hålls vid -303 grader Fahrenheit. MicroBooNE-fysiker har förfinat LArTPC-tekniker för storskaliga detektorer vid DUNE.

Nu har en laginsats ledd av forskare vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, i samarbete med forskare från Yale University och Louisiana State University, ytterligare förfinat dessa tekniker genom att mäta neutrino-argon-tvärsnittet. Deras arbete publicerades idag i Physical Review Letters .

"Neutrino-argon-tvärsnittet representerar hur argonkärnor svarar på en infallande neutrino, som de i neutrinostrålen som produceras av MicroBooNE eller DUNE", säger Brookhaven Lab-fysiker Xin Qian, ledare för Brookhavens MicroBooNE-fysikgrupp. "Vårt slutmål är att studera neutrinos egenskaper, men först måste vi bättre förstå hur neutriner interagerar med materialet i en detektor, till exempel argonatomer."

En av de viktigaste neutrinoegenskaperna som DUNE kommer att undersöka är hur partiklarna pendlar mellan tre distinkta "smaker":myonneutrino, tau-neutrino och elektronneutrino. Forskare vet att dessa svängningar beror på neutrinos energi, bland andra parametrar, men den energin är mycket utmanande att uppskatta. Neutrinointeraktioner är inte bara extremt komplexa till sin natur, utan det finns också en stor energispridning inom varje neutrinostråle. Att bestämma de detaljerade energiberoende tvärsnitten ger fysiker en viktig del av information för att studera neutrinoscillationer.

"När vi väl känner till tvärsnittet kan vi vända beräkningen för att bestämma den genomsnittliga neutrinoenergin, smaken och svängningsegenskaperna från ett stort antal interaktioner", säger Brookhaven Lab postdoc Wenqiang Gu, som ledde fysikanalysen.

För att åstadkomma detta utvecklade teamet en ny teknik för att extrahera det detaljerade energiberoende tvärsnittet.

"Tidigare tekniker mätte tvärsnittet som en funktion av variabler som lätt kan rekonstrueras", säger London Cooper-Troendle, en doktorand från Yale University som är stationerad vid Brookhaven Lab genom DOE:s Graduate Student Research Program. "Om du till exempel studerar en myonneutrino ser du vanligtvis en laddad myon komma ut ur partikelinteraktionen, och denna laddade muon har väldefinierade egenskaper som dess vinkel och energi. Så man kan mäta tvärsnittet som en funktion av myonvinkeln eller energin. Men utan en modell som exakt kan redogöra för "saknad energi", en term vi använder för att beskriva ytterligare energi i neutrinointeraktionerna som inte kan tillskrivas de rekonstruerade variablerna, skulle denna teknik kräva experiment att agera konservativt."

Forskargruppen ledd av Brookhaven försökte validera neutrinoenergirekonstruktionsprocessen med oöverträffad precision, förbättra teoretisk modellering av neutrinointeraktioner efter behov för DUNE. För att göra det använde teamet sin expertis och lärdomar från tidigare arbete med MicroBooNE-experimentet, såsom deras ansträngningar att rekonstruera interaktioner med olika neutrinosmaker.

"Vi har lagt till en ny begränsning för att avsevärt förbättra den matematiska modelleringen av neutrinoenergirekonstruktion", säger assisterande professor i Louisiana State University Hanyu Wei, tidigare Goldhaber-stipendiat vid Brookhaven.

Teamet validerade denna nyligen begränsade modell mot experimentella data för att producera den första detaljerade energiberoende tvärsnittsmätningen av neutrino-argon.

"Neutrino-argon-tvärsnittsresultaten från denna analys kan skilja mellan olika teoretiska modeller för första gången," sa Gu.

Medan fysiker förväntar sig att DUNE ska producera förbättrade mätningar av tvärsnittet, ger de metoder som utvecklats av MicroBooNE-samarbetet en grund för framtida analyser. Den nuvarande tvärsnittsmätningen är redan inställd för att vägleda ytterligare utvecklingar av teoretiska modeller.

Under tiden kommer MicroBooNE-teamet att fokusera på att ytterligare förbättra sin mätning av tvärsnittet. Den nuvarande mätningen gjordes i en dimension, men framtida forskning kommer att ta itu med värdet i flera dimensioner - det vill säga som en funktion av flera variabler - och utforska fler vägar för underliggande fysik. + Utforska vidare

Upptäcka acceleratorproducerade neutrinos i en kosmisk höstack