Электроны создают основу для экспериментов с нейтрино

Нейтрино взаимодействуют с ядрами. 

Их исследование, проведенное в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США и недавно опубликованное в журнале Nature, показывает, что для достижения высокоточных результатов в экспериментах необходимы серьезные обновления моделей нейтрино.

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

«Существует явление перехода нейтрино от одного типа к другому, и это явление называется осцилляцией нейтрино. Это явление интересно изучать, потому что оно недостаточно изучено », – сказала Мариана Хачатрян, со-ведущий автор исследования, которая была аспирантом Университета Старого Доминиона у профессора и исследовательской группы видного ученого Ларри Вайнштейна, когда она внесла свой вклад в исследование. исследовать. Сейчас она работает научным сотрудником постдокторантуры в Международном университете Флориды.

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.

«Физики нейтрино делают это, измеряя все частицы, выходящие из взаимодействия нейтрино с ядрами, и восстанавливая энергию поступающего нейтрино, чтобы узнать больше о нейтрино, его колебаниях и очень, очень точно измерить их», – пояснил Ади Ашкенази. Ашкенази является контактным автором исследования, который работал над этим проектом в качестве исследователя в исследовательской группе профессора Ор Хена в Массачусетском технологическом институте. Сейчас она старший преподаватель Тель-Авивского университета.

«Детекторы состоят из тяжелых ядер, и взаимодействия нейтрино с этими ядрами на самом деле являются очень сложными взаимодействиями», – сказал Ашкенази. «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 падающих нейтрино. GENIE – это смесь многих моделей, каждая из которых помогает физикам воспроизвести определенные аспекты взаимодействия между нейтрино и ядрами. Поскольку о нейтрино известно так мало, сложно напрямую протестировать GENIE, чтобы гарантировать, что он будет давать как точные, так и высокоточные результаты на основе новых данных, которые будут предоставлены в будущих нейтринных экспериментах, таких как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) или Гипер-Камиоканде.

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

«Это использует сходство между электронами и нейтрино. Мы используем электронные исследования для проверки моделей взаимодействия нейтрино с ядром », – сказал Хачатрян.

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 этом исследовании команда использовала 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 электронные результаты.

«Электроны изучаются годами, и пучки электронов имеют очень точную энергию», – сказал Ашкенази. «Мы знаем их энергию. 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 ».

Входные данные для исследования были получены в результате экспериментов, проведенных с детектором CLAS в Лаборатории Джефферсона, занимающейся ускорителем непрерывного электронного пучка, пользовательским центром Министерства энергетики. 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 версии.

«Мы использовали ту же симуляцию, что и в нейтринных экспериментах, и мы использовали те же поправки», – объяснил Афродити Пападопулу, со-ведущий автор исследования и аспирант Массачусетского технологического института, который также входит в исследовательскую группу Хена. «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 электрон-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 модели должны быть в состоянии воспроизвести наши электронные данные с известной энергией пучка, прежде чем мы сможем поверить, что они будут точными в нейтринных экспериментах », – сказал Пападопулу.

Хачатрян согласился и сказал, что «результат фактически указывает на то, что есть аспекты этих методов и моделей реконструкции энергии, которые необходимо улучшить».

«Это также показывает путь к достижению этого для будущих экспериментов».

Следующим шагом этого исследования 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 уточнении 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.