Электроны создают основу для будущих экспериментов с нейтрино

Нейтрино может стать ключом к окончательному раскрытию тайны происхождения нашей вселенной, в которой преобладает материя, и сейчас ведутся приготовления к двум крупным экспериментам, чтобы раскрыть секреты частиц. Команда физиков-ядерщиков обратилась к электрону, чтобы понять, как эти эксперименты могут лучше подготовиться к сбору важной информации. Их исследование, проведенное в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона и недавно опубликованное в журнале Nature, показывает, что для достижения высокоточных результатов необходимы серьезные обновления моделей нейтрино.

Нейтрино повсеместно распространены, в большом количестве они генерируются звездами по всей нашей Вселенной. И хотя эти частицы широко распространены, они редко взаимодействуют с материей, что затрудняет их изучение.

«Существует явление смены нейтрино от одного типа к другому, и это явление называется осцилляцией нейтрино. И это явление недостаточно изучено», — говорят исследователи.

Один из способов изучения осцилляций нейтрино — создание гигантских сверхчувствительных детекторов для измерения нейтрино глубоко под землей. Детекторы обычно содержат плотные материалы с большими ядрами, поэтому нейтрино с большей вероятностью взаимодействуют с ними. Такие взаимодействия запускают каскад других частиц, которые регистрируются детекторами. Физики могут использовать эти данные, чтобы получить информацию о нейтрино.

«Детекторы состоят из тяжелых ядер, и взаимодействия нейтрино с этими ядрами на самом деле являются очень сложными взаимодействиями», — говорят ученые. «Эти методы восстановления энергии нейтрино по-прежнему очень сложны, и наша работа заключается в улучшении моделей, которые мы используем для их описания».

Эти методы включают моделирование взаимодействий с помощью теоретического моделирования под названием GENIE, позволяющего физикам делать выводы об энергиях нейтрино. GENIE — это смесь многих моделей, каждая из которых помогает физикам воспроизвести определенные аспекты взаимодействия между нейтрино и ядрами. Поскольку о нейтрино известно мало, сложно напрямую протестировать GENIE, чтобы гарантировать, что он будет давать высокоточные результаты на основе новых данных, которые будут предоставлены в будущих нейтринных экспериментах, таких как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) или Hyper-Kamiokande.

Чтобы проверить GENIE, команда ученых обратилась к простой частице, о которой физики-ядерщики знают гораздо больше: к электрону.

У нейтрино и электронов много общего. Оба они принадлежат к семейству субатомных частиц, называемых лептонами, поэтому оба являются элементарными частицами, на которые не действует сильное взаимодействие.

В новом исследовании ученые использовали версию GENIE для рассеяния электронов, получившую название e-GENIE, для проверки тех же алгоритмов восстановления поступающей энергии, которые будут использовать исследователи нейтрино. Вместо нейтрино они использовали недавние результаты электронов.

«Электроны изучаются годами, и пучки электронов имеют очень точную энергию. Мы знаем их энергии. И когда мы пытаемся восстановить эту поступающую энергию, мы можем сравнить это с тем, что мы знаем. Мы можем проверить, насколько хорошо наши методы работают для различных энергий, чего нельзя сделать с нейтрино».

Исходные данные для исследования были получены в результате экспериментов, проведенных с детектором CLAS в лаборатории Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility. CEBAF — это самый совершенный в мире ускоритель электронов для исследования природы материи. Команда использовала данные, которые напрямую отражали простейший случай, изучаемый в нейтринных экспериментах: взаимодействия, в результате которых возникали электрон и протон (а не мюон и протон) из ядер гелия, углерода и железа. Эти ядра аналогичны материалам, используемым в детекторах нейтринных экспериментов.

Кроме того, группа работала над тем, чтобы электронная версия GENIE была как можно более параллельна нейтринной.

«Мы использовали ту же симуляцию, что и в нейтринных экспериментах, и мы использовали те же поправки», — объяснили физики. «Если модель не работает для электронов, где мы говорим о самом упрощенном случае, она никогда не будет работать для нейтрино».

Даже в этом простейшем случае точное моделирование имеет решающее значение, потому что необработанные данные электронно-ядерных взаимодействий обычно восстанавливаются до правильной энергии входящего электронного пучка менее чем в половине случаев. Хорошая модель может учесть этот эффект и исправить данные.

Однако, когда GENIE использовался для моделирования этих событий данных, он работал еще хуже.

«Это может исказить результаты осцилляций нейтрино. Наши симуляции должны иметь возможность воспроизводить наши электронные данные с известными энергиями пучка, прежде чем мы сможем поверить, что они будут точными в нейтринных экспериментах», — говорят исследователи.

Результат фактически указывает на то, что есть аспекты этих методов и моделей реконструкции энергии, которые необходимо улучшить.

Следующим шагом в этом исследовании является тестирование конкретных ядер-мишеней, представляющих интерес для исследователей нейтрино, и в более широком спектре энергий поступающих электронов. Получение этих конкретных результатов для прямого сравнения поможет исследователям нейтрино в доработке своих моделей.

По словам исследовательской группы, цель состоит в том, чтобы достичь широкого согласия между данными и моделями, что поможет гарантировать, что DUNE и Hyper-Kamiokande смогут достичь ожидаемых результатов с высокой точностью.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.