Новые исследования проливают свет на нейтрино-ядерные взаимодействия

Группа физиков из Соединенных Штатов и Италии разработала точную модель, объясняющую, как нейтрино взаимодействуют с атомными ядрами, сложными системами, состоящими из протонов и нейтронов (нуклонов), связанных друг с другом сильным взаимодействием.

Это знание необходимо для разгадки еще большей тайны — почему во время своего путешествия через космос или материю нейтрино волшебным образом превращаются из одного в другой из трех возможных типов или ароматов.

Нейтрино — часто называемые «призрачными частицами», потому что они проходят сквозь материю и наши тела незамеченными — окутаны тайной. Они были одними из самых распространенных частиц в начале Вселенной и остаются таковыми по сей день.

Несмотря на почти столетие исследований, физики до сих пор не до конца понимают массы нейтрино или параметры, которые характеризуют странное поведение, известное как колебания аромата — способность переходить от одного аромата (или типа) к другому.

Чтобы измерить эти колебания аромата, физики провели две серии экспериментов — MiniBooNE (эксперимент с мини-ускорителем нейтрино) и NOvA — в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми Министерства энергетики США.

В этих экспериментах они генерируют интенсивный поток нейтрино в ускорителе частиц, а затем отправляют их в детекторы частиц в течение длительного периода времени.

Зная исходное распределение ароматов нейтрино, они затем собирают данные, относящиеся к взаимодействиям нейтрино с ядрами атомов в детекторах. На основе этой информации они могут рассчитать любые изменения аромата нейтрино с течением времени или на расстоянии.

В случае детекторов MiniBooNE и NOvA ядра происходят из изотопа углерода-12, который имеет шесть протонов и шесть нейтронов.

Интерпретация этих экспериментов сильно зависит от детального понимания того, как нейтрино взаимодействуют с атомными ядрами в широком диапазоне энергий.

Ученые решили эту проблему в режиме, когда протоны и нейтроны являются доминирующими игроками во взаимодействии.

«Хотя нейтрино были впервые постулированы почти столетие назад и впервые обнаружены 65 лет назад, они остаются окутанными тайной из-за их нежелания взаимодействовать с материей», — говорят исследователи.

«Наша команда появилась на свет, потому что для этих экспериментов требуется очень точная модель взаимодействия нейтрино с ядрами в большом диапазоне энергий», — добавил доктор Ноэми Рокко, научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и Фермилаба.

Ядерно-физическая модель взаимодействия нейтрино с одним нуклоном и парой из них пока является наиболее точной.

«Это наш первый подход к моделированию этих взаимодействий на таком микроскопическом уровне», — сказал доктор Рокко. «Раньше подходы не были такими детализированными».

Один из важных выводов группы, основанный на расчетах, выполненных на уже выведенном из эксплуатации суперкомпьютере Mira в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), заключался в том, что взаимодействие пар нуклонов имеет решающее значение для точного моделирования взаимодействия нейтрино с ядрами.

Чем больше ядра в детекторе, тем больше вероятность того, что нейтрино будут взаимодействовать с ними. В будущем  физики планируют расширить модель на данные от более крупных ядер, а именно, ядер кислорода и аргона, в поддержку экспериментов, запланированных в Японии и США.

Работа команды была опубликована в журнале Physical Review X.