Guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, un nuovo studio chiarisce una discrepanza riguardo al maggior contributore di segnali di fondo indesiderati in rilevatori specializzati di neutrini. Una migliore caratterizzazione del fondo potrebbe migliorare gli esperimenti attuali e futuri per rilevare segnali reali da questi debolmente interagenti, particelle subatomiche elettricamente neutre e comprendere il loro ruolo nell'universo.

"Abbiamo identificato una reazione con discrepanze significative tra la nostra nuova misurazione e i dati storici, " ha detto Michael Febbraro di ORNL, autore principale di uno studio pubblicato su Lettere di revisione fisica che presenta una migliore misurazione della reazione. "È una delle reazioni più antiche mai studiate, e stiamo ancora scoprendo cose nuove al riguardo."

Una misurazione più vecchia del 2005, che era stato utilizzato come standard di riferimento, era stato analizzato in modo errato. Ha considerato solo lo stato fondamentale delle particelle piuttosto che uno spettro di stati fondamentali ed eccitati. La nuova misura, presa utilizzando una matrice di rivelatori basata sulla spettroscopia di neutroni e raggi gamma secondari, considerato l'intero spettro delle energie delle particelle.

Febbraro, che ha concepito l'esperimento e costruito i rivelatori, ha eseguito la misurazione con Richard deBoer dell'Università di Notre Dame e Steven Pain dell'ORNL. Altri coautori rappresentano l'Università del Surrey; Università del Michigan, Anna Arbor; Università del Tennessee, Knoxville; e la Rutgers University.

Questi fisici nucleari non si proponevano di studiare le proprietà dei neutrini; di solito riguardano i nuclei atomici e le loro interazioni. Ma nella scienza, le scoperte in un'area hanno spesso un impatto profondo su altre aree.

Una ben nota reazione nucleare trasforma il carbonio-13 in ossigeno-16 e un neutrone. Quella stessa reazione è un importante contributo al background negli esperimenti che misurano i neutrini, se sono emessi dal sole, atmosfera, acceleratori, reattori nucleari o il nucleo terrestre.

La velocità di quella reazione deve essere ben nota per calcolare accuratamente il fondo in rivelatori come il rivelatore antineutrino a scintillatore liquido Kamioka del Giappone, o KamLAND. Utilizzando un acceleratore dell'Università di Notre Dame, i ricercatori hanno sparato a una particella alfa (cioè, nucleo di elio-4) su un bersaglio di carbonio-13, formando brevemente ossigeno-17, che decadde in ossigeno-16 e un neutrone. I ricercatori hanno misurato la "sezione trasversale, " o probabilità che si verifichi una reazione, che è proporzionale alla velocità di produzione dei neutroni.

"Abbiamo scoperto che l'attuale set di dati mondiali non è corretto di un po', perché non hanno tenuto conto di altri canali di reazione che si attivano, " Disse Febbraro. "Abbiamo un tipo speciale di rivelatore che può dire qual è l'energia dei neutroni, e questa è stata la principale tecnologia abilitante che ha reso possibile questa misurazione."

I rivelatori di neutrini devono essere grandi per amplificare i segnali deboli. KamLAND è riempito con uno scintillatore a base di idrocarburi, un olio che interagisce con i neutrini ed emette luce. Quelle scintille rendono più facile individuare e contare gli sfuggenti neutrini. Però, i prodotti di decadimento del radon, un gas radioattivo naturale, combinare con carbonio-13, un raro isotopo del carbonio presente nello scintillatore, creando l'ossigeno-16 e i neutroni che imitano i segnali dei neutrini.

KamLAND pesa circa mille tonnellate. Così, mentre il carbonio-13 rappresenta solo l'1,1% di tutto il carbonio, KamLAND ne contiene 10 tonnellate. Il radon che entra nel rivelatore decade in elementi figli con energie diverse. Le particelle alfa prodotte da quei decadimenti interagiscono con il carbonio-13, creando uno sfondo che travolge il segnale del neutrino. "È la principale fonte di sfondo in questi esperimenti, " Disse Febbraro.

La precedente misurazione di riferimento della reazione aveva misurato i nuclei solo al livello di energia più basso, o stato fondamentale. Ma i nuclei vivono anche a livelli energetici più alti, chiamati stati eccitati. Diversi livelli di energia influenzano la probabilità che una reazione prenda un percorso specifico.

"Abbiamo notevolmente migliorato la precisione e l'accuratezza delle misurazioni utilizzando una configurazione sensibile a uno spettro di energie dei neutroni, " Disse Febbraro.

La comunità scientifica globale si avvale di banche dati nucleari valutate contenenti dati generati da esperti, misurazioni di riferimento sottoposte a revisione paritaria. Per stimare il background di KamLAND, I fisici di KamLAND hanno estratto la misurazione di riferimento del 2005 generata dai fisici nucleari da uno di questi database, la Japanese Evaluated Nuclear Data Library. Hanno assunto che la misurazione fosse corretta e l'hanno inserita nei loro calcoli.

"L'assunto che gli stati eccitati non contino non è vero, " ha detto Febbraro. "Includendo gli stati eccitati cambia non solo la dimensione dello sfondo che provoca in KamLAND, ma ha anche un impatto su molteplici aspetti del segnale del neutrino".

Il fisico dell'ORNL Kelly Chipps, che ha aiutato ad analizzare i dati e interpretare i risultati con il suo collega ORNL Michael Smith, concordato.

"Lo sfondo è qualcosa che devi capire con precisione, " ha detto. "Altrimenti, il numero di eventi reali che hai visto potrebbe essere completamente sbagliato."

chiedendo un grande, rivelatore di neutrini riempito con scintillatore per distinguere lo sfondo dal segnale è come essere bendati, cioccolatini nutriti con un rivestimento di caramelle rosse o verdi, e ti ho chiesto di dire quanti cioccolatini rossi hai mangiato.

"Il problema è tutte le caramelle hanno lo stesso sapore, " disse Chipps. "Per capire quante caramelle rosse hai mangiato, conteresti il ​​numero totale di caramelle e chiameresti il ​​produttore di cioccolato per chiedere quante caramelle rosse ci sono generalmente in un sacchetto."

Proprio come conoscere questo rapporto ti permetterebbe di fare una stima sulle quantità di caramelle, le informazioni di riferimento nei database nucleari valutati consentono agli scienziati di stimare i numeri dei neutrini.

"Si scopre che il nostro esperimento ha ottenuto una risposta diversa da quella che il "produttore di caramelle" ha detto che dovrebbe essere il rapporto, " Chipps ha continuato. "Questo non è perché il produttore intendeva dare una risposta sbagliata; è perché la loro selezionatrice è stata programmata con un valore sbagliato."

Il nuovo tasso di produzione di neutroni scoperto da Febbraro e dai suoi colleghi di fisica nucleare può ora essere utilizzato dai fisici che lavorano su KamLAND e altri esperimenti di neutrini basati su scintillatore liquido per sottrarre lo sfondo con maggiore accuratezza e precisione.

Poiché questa nuova misurazione, Il team di Febbraro ha impiegato lo speciale rivelatore per misurare reazioni simili. Hanno trovato discrepanze nei tassi di produzione di neutroni per una mezza dozzina di isotopi. "I calcoli in questa regione di massa non sono molto affidabili, " Egli ha detto.

Il titolo di Lettere di revisione fisica la carta è "Nuovo ¹³ C(α, n) ¹⁶ O Sezione trasversale con implicazioni per la miscelazione dei neutrini e le misurazioni dei geoneutrini." Lo sviluppo del rivelatore è stato supportato dall'Ufficio delle scienze del DOE. La misurazione è stata effettuata presso il Laboratorio di scienze nucleari dell'Università di Notre Dame, che è sostenuto dalla National Science Foundation.