Эксперимент с нейтрино показал беспрецедентное измерение

Крошечные частицы, известные как нейтрино, являются отличным инструментом для изучения атомных ядер. В отличие от электронов или протонов нейтрино не имеют электрического заряда и взаимодействуют с ядром атома только через слабую ядерную силу.

Это делает их уникальным инструментом для исследования строительных блоков материи. Но проблема в том, что нейтрино трудно производить и обнаруживать, и очень сложно определить энергию, которую имеет нейтрино, когда она попадает в атом.

На этой неделе группа ученых, работающих над экспериментом MiniBooNE, сообщила о прорыве: они смогли идентифицировать точно известные энергии мюонных нейтрино, ударяющие по атомам. В результате исключается основной источник неопределенности при тестировании теоретических моделей нейтринных взаимодействий и нейтринных колебаний.

«Вопрос о энергии нейтрино очень важен, — сказал Джошуа Шпиц, доцент в Мичиганском университете и один из руководителей команды, который сделал это открытие вместе с Джозефом Гранжем в Национальной лаборатории Аргонне. «Чрезвычайно редко можно узнать энергию нейтрино и сколько энергии она переносит на целевой атом. Для нейтринных исследований ядер это достигнуто впервые ».

Чтобы узнать больше о ядрах, физики снимают частицы на атомах и измеряют, как они сталкиваются и разлетаются. Если энергия частицы достаточно велика, ядро, пораженное частицей, может разделиться и выявить информацию о субатомных силах, которые соединяют ядро ​​вместе.

Но для получения наиболее точных измерений ученые должны знать точную энергию частицы, разрушающей атом. Это, однако, практически невозможно при проведении экспериментов с нейтрино.

Как и другие эксперименты с мюонными нейтрино, MiniBooNE использует пучок, который содержит мюонные нейтрино с диапазоном энергий. Поскольку нейтрино не имеют электрического заряда, у ученых нет «фильтра», который позволяет им выбирать нейтрино с определенной энергией.

Однако ученые MiniBooNE разработали умный способ идентифицировать энергию подмножества мюонных нейтрино, поражающих детектор. Они поняли, что их эксперимент получает некоторые мюонные нейтрино, которые имеют точную энергию 236 миллионов электронвольт (МэВ). Эти нейтрино проистекают из распада каонов в покое от детектора MiniBooNE, выходящего из алюминиевого сердечника поглотителя частиц пучка NuMI, который был построен для других экспериментов.

Энергетические каоны распадаются на мюонные нейтрино с рядом энергий. Трюк состоит в том, чтобы идентифицировать мюонные нейтрино, которые выходят из распада покоящихся каонов. Следовательно, сохранение энергии и импульса требует, чтобы все мюонные нейтрино, выходящие из распада каонов, должны иметь точную энергию 236 МэВ.

«Результат примечателен, — сказал Рекс Тайлоэ, сопредседатель сотрудничества MiniBooNE и профессор физики в Университете Индианы. «Мы смогли извлечь этот результат из-за хорошо понятого детектора MiniBooNE и наших предыдущих тщательных исследований нейтринных взаимодействий за 15 лет сбора данных».

Шпиц и его коллеги уже работают над следующим моноэнергетическим результатом нейтрино. Второй нейтринный детектор, расположенный вблизи MiniBooNE, называемый MicroBooNE, также принимает мюонные нейтрино от поглотителя NuMI, расположенного в 102 метрах от него. Поскольку MicroBooNE использует технологию жидкого аргона для регистрации нейтринных взаимодействий, Шпиц оптимистично отмечает, что данные MicroBooNE предоставят еще больше информации.

«MicroBooNE обеспечит более точные измерения этого нейтрино с известной энергией», — сказал он. «Результаты будут чрезвычайно полезны для будущих экспериментов с колебаниями нейтрино».

Больше информации: A. A. Aguilar-Arevalo et al. First Measurement of Monoenergetic Muon Neutrino Charged Current Interactions, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.141802