Piccole particelle note come neutrini sono uno strumento eccellente per studiare il funzionamento interno dei nuclei atomici. A differenza degli elettroni o dei protoni, i neutrini non hanno carica elettrica, e interagiscono con il nucleo di un atomo solo attraverso la debole forza nucleare. Questo li rende uno strumento unico per sondare i mattoni della materia. Ma la sfida è che i neutrini sono difficili da produrre e rilevare, ed è molto difficile determinare l'energia che ha un neutrino quando colpisce un atomo.

Questa settimana, un gruppo di scienziati che lavorano all'esperimento MiniBooNE presso il Fermilab del Dipartimento dell'Energia ha riportato una svolta:sono stati in grado di identificare i neutrini muonici di energia esattamente nota che colpiscono gli atomi nel cuore del loro rivelatore di particelle. Il risultato elimina una delle principali fonti di incertezza durante il test di modelli teorici di interazioni di neutrini e oscillazioni di neutrini.

"La questione dell'energia dei neutrini è così importante, " disse Joshua Spitz, Norman M. Leff assistente professore presso l'Università del Michigan e co-leader del team che ha fatto la scoperta, insieme a Joseph Grange all'Argonne National Laboratory. "È straordinariamente raro conoscere l'energia di un neutrino e quanta energia trasferisce all'atomo bersaglio. Per gli studi sui nuclei basati sui neutrini, questa è la prima volta che è stato raggiunto."

Per saperne di più sui nuclei, i fisici sparano particelle agli atomi e misurano come si scontrano e si disperdono. Se l'energia di una particella è sufficientemente grande, un nucleo colpito dalla particella può rompersi e rivelare informazioni sulle forze subatomiche che legano insieme il nucleo.

Ma per ottenere le misurazioni più accurate, gli scienziati devono conoscere l'esatta energia della particella che rompe l'atomo. Quella, però, non è quasi mai possibile quando si fanno esperimenti con i neutrini.

Come altri esperimenti di neutrini muonici, MiniBooNE utilizza un raggio che comprende neutrini muonici con una gamma di energie. Poiché i neutrini non hanno carica elettrica, gli scienziati non hanno un "filtro" che permetta loro di selezionare i neutrini con un'energia specifica.

Scienziati di MiniBooNE, però, ha trovato un modo intelligente per identificare l'energia di un sottoinsieme dei neutrini muonici che colpisce il loro rivelatore. Si sono resi conto che il loro esperimento riceve alcuni neutrini muonici che hanno l'energia esatta di 236 milioni di elettronvolt (MeV). Questi neutrini derivano dal decadimento di kaoni a riposo a circa 86 metri dal rivelatore MiniBooNE emergente dal nucleo di alluminio dell'assorbitore di particelle della linea di luce NuMI, che è stato costruito per altri esperimenti al Fermilab.

I kaoni energetici decadono in neutrini muonici con una gamma di energie. Il trucco è identificare i neutrini muonici che emergono dal decadimento dei kaoni a riposo. La conservazione dell'energia e della quantità di moto richiede quindi che tutti i neutrini muonici che emergono dal decadimento del kaone a riposo debbano avere esattamente l'energia di 236 MeV.

"Non capita spesso nella fisica dei neutrini di conoscere l'energia del neutrino in arrivo, " ha dichiarato il co-portavoce di MiniBooNE Richard Van De Water del Los Alamos National Laboratory. "Con la prima osservazione da parte di MiniBooNE di neutrini muonici monoenergetici dal decadimento del kaone, possiamo studiare le interazioni della corrente carica con una sonda nota che consente ai teorici di migliorare i loro modelli di sezione d'urto. Questo è un lavoro importante per i futuri programmi sui neutrini a breve e lungo base del Fermilab".

Questa analisi è stata condotta con i dati raccolti dal 2009 al 2011.

"Il risultato è notevole, " disse Rex Tayloe, co-portavoce della collaborazione MiniBooNE e professore di fisica presso l'Indiana University Bloomington. "Siamo stati in grado di estrarre questo risultato grazie al rilevatore MiniBooNE ben compreso e ai nostri precedenti studi accurati sulle interazioni dei neutrini in oltre 15 anni di raccolta dati".

Spitz ei suoi colleghi stanno già lavorando al prossimo risultato del neutrino monoenergetico. Un secondo rivelatore di neutrini situato vicino a MiniBooNE, chiamato MicroBooNE, riceve anche neutrini muonici dall'assorbitore NuMI, 102 metri di distanza. Poiché MicroBooNE utilizza la tecnologia dell'argon liquido per registrare le interazioni dei neutrini, Spitz è ottimista sul fatto che i dati MicroBooNE forniranno ancora più informazioni.

"MicroBooNE fornirà misurazioni più precise di questo neutrino a energia nota, " ha detto. "I risultati saranno estremamente preziosi per futuri esperimenti di oscillazione dei neutrini".

Il risultato di MiniBooNE è stato pubblicato il 6 aprile 2018, problema di Lettere di revisione fisica .