Difficile credere che si possa giocare a biliardo con i neutrini, ma certi eventi di interazione con i neutrini sono più vicini al gioco di quanto pensi.

In queste interazioni quasi elastiche a corrente carica - interazioni CCQE, in breve:un neutrino colpisce una particella nel nucleo di un atomo, un protone o un neutrone. Dall'urto emergono due particelle. Uno è un muone, un cugino più pesante dell'elettrone. L'altro è un protone (se la particella stazionaria è un neutrone) o un neutrone (se la particella stazionaria è un protone).

Le interazioni dei neutrini che risultano da queste reazioni quasi elastiche sono come le collisioni tra le palline in una partita a biliardo:puoi indovinare l'energia del neutrino in arrivo misurando la direzione e l'energia di una sola delle particelle in uscita, a patto di conoscere i tipi di tutte e quattro le particelle che erano nell'interazione in primo luogo e la direzione originale del neutrino.

Le interazioni CCQE sono un'importante modalità di interazione dei neutrini negli esperimenti di oscillazione dei neutrini attuali e futuri, come l'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, affittato da Fermilab.

Sono simili alle interazioni elastiche che ogni giocatore di biliardo conosce tranne in un modo importante:la forza nucleare debole consente alle particelle di cambiare da un tipo all'altro, da qui il nome "quasielastico". In questo gioco di biliardo subatomico, il pallino (neutrino) colpisce una pallina rossa stazionaria (protone), che emerge dalla collisione come una palla arancione (neutrone).

Poiché la maggior parte dei moderni esperimenti sui neutrini utilizzano bersagli costituiti da nuclei pesanti che vanno dal carbonio all'argon, gli effetti nucleari e le correlazioni tra neutroni e protoni all'interno del nucleo possono causare cambiamenti significativi nei tassi di interazione osservati e modifiche all'energia stimata dei neutrini.

A MINERVA, gli scienziati identificano le interazioni CCQE da una lunga traccia di muoni lasciata nel rivelatore di particelle e potenzialmente da una o più tracce di protoni. Però, questa firma sperimentale a volte può essere prodotta da interazioni non CCQE a causa di effetti nucleari all'interno del nucleo bersaglio. Allo stesso modo, gli effetti nucleari possono anche modificare le particelle dello stato finale per far sembrare un evento CCQE un evento non CCQE e viceversa.

Poiché gli effetti nucleari possono rendere difficile identificare un vero evento CCQE, MINERvA riporta misurazioni basate solo sulle proprietà delle particelle dello stato finale e le chiama eventi simili a CCQE (poiché avranno contributi sia da veri eventi CCQE che non-CCQE). Un evento simile a CCQE è uno che ha almeno un muone in uscita, qualsiasi numero di protoni o neutroni, e nessun mesone come particelle allo stato finale. (Mesoni, come protoni e neutroni, sono fatti di quark. Protoni e neutroni hanno tre quark; i mesoni ne hanno due.)

MINERvA ha misurato la probabilità di interazioni di neutrini simili a CCQE utilizzando il fascio di neutrini a media energia del Fermilab, con il flusso di neutrini che raggiunge un picco di 6 GeV. Rispetto alle misurazioni precedenti di MINERvA, che sono stati condotti con un fascio a bassa energia (flusso di neutrini di picco 3 GeV), questa misurazione ha il vantaggio di una portata energetica più ampia e di statistiche molto più ampie:1, 318, 540 eventi di tipo CCQE rispetto a 109, 275 eventi nelle precedenti corse a bassa energia.

MINERvA ha effettuato queste misurazioni della probabilità di interazione CCQE in funzione del quadrato della quantità di moto trasferita dal neutrino al nucleo, che gli scienziati indicano come Q2. Il grafico mostra le discrepanze tra i dati e la maggior parte delle previsioni nelle regioni a basso e alto secondo trimestre. Confrontando la misurazione di MINERvA con vari modelli, gli scienziati possono perfezionarli e spiegare meglio la fisica all'interno dell'ambiente nucleare.

MINERvA ha anche effettuato misurazioni più dettagliate della probabilità di interazione dei neutrini in base alla quantità di moto del muone in uscita. Tengono conto della quantità di moto del muone sia nella direzione della traiettoria del neutrino entrante che nella direzione perpendicolare alla sua traiettoria. Questo lavoro aiuta gli esperimenti sui neutrini attuali e futuri a comprendere i propri dati su un'ampia gamma di cinematica dei muoni.

Mateus Carneiro, precedentemente del Centro brasiliano per la ricerca in fisica e dell'Oregon State University e ora al Brookhaven National Laboratory, e Dan Ruterbories dell'Università di Rochester sono stati i principali driver di questa analisi. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .