Фізики виміряли розсіювання нейтрино на атомах аргону

Фізики з колаборації MicroBooNE повідомили про визначення залежності перерізу нейтрино на атомі аргону від його енергії. Нові дані підвищать інформативність всіх детекторів нейтрино на основі рідкого аргону, включаючи споруджуваний детектор DUNE. Дослідження опубліковано в

За останні 20 років наші уявлення про нейтрино зазнали великих змін. Спочатку ми отримали надійні докази того, що нейтрино трьох різних ароматів можуть перетворюватися один на одного, отже, володіють масою (докладніше про це читайте в матеріалі «Н значить нейтрино»). Потім стала з'являтися велика кількість нових експериментальних даних, які суперечать як нейтринним моделям, так і один одному.

В якості одного з виходів з цієї ситуації теоретики запропонували ввести новий тип нейтрино, названий стерильним через його неучасть в будь-яких взаємодіях, крім гравітаційного і осциляціях з відомими нейтрино. Важливими свідченнями на користь цієї ідеї стали експерименти BEST і MiniBooNE, в яких статистична значимість аномалії досягла 5º. Їх обох об'єднує не тільки висока достовірність результату, але і хороша згода зі стерильним рішенням (детальніше про це можна дізнатися в матеріалі «Чиста аномалія»).

Втім, в експерименті MiniBooNE була лазівка, яка могла б пояснити аномалію через альтернативний канал утворення сигналу. Для перевірки цієї гіпотези в Національній дослідницькій лабораторії імені Енріко Фермі, яка проводила MiniBooNE, було запущено проект MicroBooNE, чиє основним завданням стало відточити технології детекції нейтрино. У жовтні 2021 року фізики повідомили про перші результати, в яких не було виявлено жодних аномалій, побачених MiniBooNE, і, отже, свідчень стерильних нейтрино. Проте у фізиків з MicroBooNE ще багато роботи, оскільки їх установка - це, по суті, прототип для нині споруджуваного великого детектора DUNE, який, як і MicroBooNE, буде використовувати рідкий аргон як уловитель нейтрино.

Днями фізики з колаборації MicroBooNE повідомили про черговий крок у бік розуміння того, як саме працює їхній детектор. Їм вдалося виміряти енергетичну залежність розсіювання мюонних нейтрино на аргоні за допомогою нового методу реконструкції нейтринних і адронних енергій. У майбутньому це дозволить збільшити точність і достовірність детектора DUNE.

Через те, що нейтрино вкрай рідко взаємодіють з речовиною, вивчати їх безпосередньо неможливо. Одним з методів їх реєстрації стало детектування світла, яке в черенківському процесі випускають електрони, мюони та інші заряджені частинки, народжені при взаємодії нейтрино з атомом мішені, а також світла, яке утворюється безпосередньо як продукт серії перетворень елементарних частинок. Фізики, що працюють на детекторі MicroBooNE, з хорошою точністю навчилися вимірювати енергії та імпульси електронів і мюонів, однак, одних цих даних недостатньо, щоб безпосередньо відновити енергію нейтрино: частина енергії, необхідної для повного балансу, вислизає за допомогою нейтральних адронів, невидимих для детекторів. Закрити цей пробіл покликано ретельне моделювання всіх процесів укупі з обробкою експериментальних даних.

Дослідники застосовували фільтр Вінера і техніку сингулярного розкладу (Singular Value Decomposition, SVD) до даних про 5,3 ст.1 ¹⁰19 зіткнень протонів мішені з нейтрино. Мішень являє собою час-проекційну камеру розмірами 10,4 ст.1 2,6 ст.1 2,3 метрів, заповнену 85 тоннами рідкого аргону і забезпечену 32 фотопомножувачами. У ролі джерела виступав бустерний синхротрон у Фермілабі, який створював потік нейтрино, мюонний на 93,6 відсотка, із середньою енергією рівною 0,8 гігаелектронвольт.

Симуляції на основі методу Монте-Карло дозволили авторам реконструювати енергію мюонних нейтрино і зіставити її з істинною енергією, відомою для каліброваного джерела. Хороша згода між моделюванням і вихідними параметрами джерела дозволила, в тому числі, і відновити «втрачену» адронну енергію. Володіючи знанням про повний енергетичний баланс, фізики розрахували розсіювання нейтрино на аргоні залежно від їх енергій. Оскільки ця залежність носить універсальний характер, вона зможе збільшити інформативність всіх детекторів нейтрино на основі рідкого аргону, в першу чергу, споруджуваного DUNE.

Від редактора

У першому абзаці початкового варіанту новини було сказано про детектори на основі рідкого азоту, хоча далі за текстом мова йде про рідкий аргон. Приносимо вибачення читачам.

Фізики намагаються верифікувати своє розуміння того, що ж саме відбувається при детектуванні нейтрино, максимально великою кількістю методів. Одним з них стало порівняння електронного і нейтринного розсіянь на ядрах.