Un esperimento al Fermilab del Dipartimento dell'Energia ha fatto un progresso significativo nella rilevazione dei neutrini che si nascondono a energie più basse.

L'esperimento ArgoNeuT ha recentemente dimostrato per la prima volta che una particolare classe di rivelatori di particelle, quelli che utilizzano argon liquido, può identificare segnali in un intervallo di energia che i fisici delle particelle chiamano "intervallo MeV". È il primo passo sostanziale per confermare che i ricercatori saranno in grado di rilevare un'ampia gamma di energia di neutrini, anche quelli più difficili da catturare, energie inferiori, con l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, o DUNE, affittato da Fermilab. L'avvio di DUNE è previsto per la metà degli anni 2020.

I neutrini sono leggeri, particelle sfuggenti e sottili che viaggiano vicine alla velocità della luce e contengono indizi sull'evoluzione dell'universo. Sono prodotti in decadimenti radioattivi e altre reazioni nucleari, e minore è la loro energia, più sono difficili da rilevare.

Generalmente, quando un neutrino colpisce un nucleo di argon, l'interazione genera altre particelle che poi lasciano tracce rilevabili nel mare di argon. Queste particelle variano in energia.

Gli scienziati sono abbastanza abili nel rilevare le particelle ad energia più elevata, quelle con più di 100 MeV (o megaelettronvolt), dai loro dati del rilevatore di argon liquido. Queste particelle sfrecciano attraverso l'argon, lasciando dietro di sé quelle che sembrano lunghe tracce nella visualizzazione dei dati.

Setacciare le particelle nella parte inferiore, la gamma MeV a una cifra è più dura, come cercare di estrarre gli aghi meglio nascosti nel proverbiale pagliaio. Questo perché le particelle a energia inferiore non lasciano molta traccia nell'argon liquido. Non fanno tanto zip quanto blip.

Infatti, dopo aver simulato le interazioni dei neutrini con l'argon liquido, Gli scienziati di ArgoNeuT hanno previsto che sarebbero state prodotte particelle di energia MeV e sarebbero state visibili come piccoli puntini nei dati visivi. Laddove le particelle ad energia più elevata si mostrano come striature nell'argon, la firma rivelatrice delle particelle MeV sarebbe piccoli punti.

E questa è stata la sfida che i ricercatori di ArgoNeuT hanno dovuto affrontare:come si individuano i minuscoli puntini e puntini nei dati? E come si fa a verificare che significhino interazioni effettive tra particelle e non siano solo rumore? Le tecniche tipiche, i metodi per identificare le tracce lunghe nell'argon liquido, non si applicherebbe qui. I ricercatori dovrebbero inventare qualcosa di diverso.

E così hanno fatto:ArgoNeuT ha sviluppato un metodo per identificare e rivelare segnali simili a blip da particelle MeV. Hanno iniziato confrontando due diverse categorie:blip accompagnati da eventi di neutrini noti e blip non accompagnati da eventi di neutrini. Finalmente, hanno sviluppato una nuova tecnica di ricostruzione specifica a bassa energia per analizzare i dati sperimentali effettivi di ArgoNeuT per cercarli.

E li hanno trovati. Hanno osservato i segnali blip, che corrispondeva ai risultati simulati. Non solo quello, ma i segnali sono arrivati ​​forte e chiaro:ArgoNeuT ha identificato i segnali MeV come un eccesso di 15 sigma, di gran lunga superiore allo standard per rivendicare un'osservazione in fisica delle particelle, che è 5 sigma (il che significa che c'è una possibilità su 3,5 milioni che il segnale sia un colpo di fortuna).

Il risultato di ArgoNeuT dimostra una capacità di importanza cruciale per misurare gli eventi di neutrini MeV in argon liquido.

intrigante, anche i neutrini nati all'interno di una supernova rientrano nell'intervallo MeV. Il risultato di ArgoNeuT offre agli scienziati DUNE un vantaggio in uno dei suoi obiettivi di ricerca:migliorare la nostra comprensione delle supernove studiando il torrente di neutrini che sfuggono dall'interno della stella che esplode mentre collassa.

L'enorme rivelatore di particelle DUNE, essere situato sottoterra al Sanford Lab in South Dakota, sarà riempito con 70, 000 tonnellate di argon liquido. Quando i neutrini di una supernova attraversano l'enorme volume di argon al di sotto della superficie terrestre, alcuni andranno a sbattere contro gli atomi di argon, producendo segnali raccolti dal rilevatore DUNE. Gli scienziati utilizzeranno i dati raccolti da DUNE per misurare le proprietà dei neutrini di supernova e riempire l'immagine della stella che li ha prodotti, e persino potenzialmente assistere alla nascita di un buco nero.

I rivelatori di particelle hanno rilevato una manciata di segnali di neutrini da una supernova nel 1987, ma nessuno di loro era rilevatore di argon liquido. (Altri esperimenti sui neutrini usano, Per esempio, acqua, olio, carbonio, o plastica come materiale di rilevamento preferito.) Gli scienziati di DUNE avevano bisogno di capire come sarebbero stati i segnali a bassa energia di una supernova nell'argon.

La collaborazione ArgoNeuT è il primo esperimento che aiuta a rispondere a questa domanda, fornendo una sorta di primo capitolo della guida su cosa cercare quando un neutrino di supernova incontra l'argon. Il suo raggiungimento potrebbe portarci un po' più vicini all'apprendimento di ciò che questi messaggeri dallo spazio esterno avranno da dirci.