I fisici che studiano particelle simili a fantasmi chiamate neutrini dalla collaborazione internazionale MicroBooNE hanno riportato una misurazione unica nel suo genere:un insieme completo di sezioni d'urto di interazione neutrino-argon dipendenti dall'energia. Questa misurazione segna un passo importante verso il raggiungimento degli obiettivi scientifici della prossima generazione di esperimenti sui neutrini, vale a dire il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

I neutrini sono minuscole particelle subatomiche che sono sia notoriamente sfuggenti che tremendamente abbondanti. Mentre bombardano all'infinito ogni centimetro della superficie terrestre quasi alla velocità della luce, i neutrini possono viaggiare attraverso un anno luce di piombo senza mai disturbare un singolo atomo. Comprendere queste misteriose particelle potrebbe svelare alcuni dei più grandi segreti dell'universo.

L'esperimento MicroBooNE, situato presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), raccoglie dati sui neutrini dal 2015, in parte come banco di prova per DUNE, attualmente in costruzione. Per identificare i neutrini sfuggenti, entrambi gli esperimenti utilizzano una camera di proiezione temporale di argon liquido a basso rumore (LArTPC), un sofisticato rivelatore che cattura i segnali dei neutrini mentre le particelle passano attraverso l'argon liquido gelido mantenuto a -303 gradi Fahrenheit. I fisici di MicroBooNE hanno perfezionato le tecniche LArTPC per rivelatori su larga scala a DUNE.

Ora, uno sforzo di squadra guidato dagli scienziati del Brookhaven National Laboratory del DOE, in collaborazione con i ricercatori della Yale University e della Louisiana State University, ha ulteriormente perfezionato queste tecniche misurando la sezione d'urto del neutrino-argon. Il loro lavoro pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica .

"La sezione d'urto del neutrino-argon rappresenta il modo in cui i nuclei di argon rispondono a un neutrino incidente, come quelli nel fascio di neutrini prodotto da MicroBooNE o DUNE", ha affermato il fisico del Brookhaven Lab Xin Qian, leader del gruppo di fisica MicroBooNE di Brookhaven. "Il nostro obiettivo finale è studiare le proprietà dei neutrini, ma prima dobbiamo capire meglio come i neutrini interagiscono con il materiale in un rivelatore, come gli atomi di argon."

Una delle proprietà dei neutrini più importanti che DUNE indagherà è come le particelle oscillano tra tre distinti "sapori":neutrino muonico, neutrino tau e neutrino elettronico. Gli scienziati sanno che queste oscillazioni dipendono dall'energia dei neutrini, tra gli altri parametri, ma tale energia è molto difficile da stimare. Non solo le interazioni dei neutrini sono di natura estremamente complessa, ma c'è anche una grande diffusione di energia all'interno di ogni fascio di neutrini. La determinazione delle sezioni d'urto dipendenti dall'energia dettagliate fornisce ai fisici un'informazione essenziale per studiare le oscillazioni dei neutrini.

"Una volta che conosciamo la sezione d'urto, possiamo invertire il calcolo per determinare l'energia media, il sapore e le proprietà di oscillazione del neutrino da un gran numero di interazioni", ha affermato Wenqiang Gu, postdoc di Brookhaven Lab, che ha guidato l'analisi fisica.

A tal fine, il team ha sviluppato una nuova tecnica per estrarre la sezione trasversale dettagliata dipendente dall'energia.

"Le tecniche precedenti misuravano la sezione trasversale in funzione di variabili facilmente ricostruibili", ha affermato London Cooper-Troendle, uno studente laureato della Yale University che è di stanza al Brookhaven Lab attraverso il programma di ricerca per studenti laureati del DOE. "Ad esempio, se stai studiando un neutrino muonico, generalmente vedi un muone carico che esce dall'interazione della particella, e questo muone carico ha proprietà ben definite come il suo angolo e la sua energia. Quindi, si può misurare la sezione d'urto come un funzione dell'angolo o dell'energia del muone. Ma senza un modello che possa spiegare accuratamente l'"energia mancante", un termine che usiamo per descrivere l'energia aggiuntiva nelle interazioni del neutrino che non può essere attribuita alle variabili ricostruite, questa tecnica richiederebbe esperimenti agire in modo prudente."

Il team di ricerca guidato da Brookhaven ha cercato di convalidare il processo di ricostruzione dell'energia dei neutrini con una precisione senza precedenti, migliorando la modellazione teorica delle interazioni dei neutrini come necessario per DUNE. Per fare ciò, il team ha applicato la propria esperienza e le lezioni apprese dal lavoro precedente sull'esperimento MicroBooNE, come i loro sforzi nel ricostruire le interazioni con diversi gusti di neutrini.

"Abbiamo aggiunto un nuovo vincolo per migliorare significativamente la modellazione matematica della ricostruzione dell'energia dei neutrini", ha affermato Hanyu Wei, assistente professore della Louisiana State University, precedentemente ricercatore Goldhaber a Brookhaven.

Il team ha convalidato questo modello recentemente vincolato rispetto ai dati sperimentali per produrre la prima misurazione dettagliata della sezione d'urto del neutrino-argon dipendente dall'energia.

"I risultati della sezione d'urto del neutrino-argon di questa analisi sono in grado di distinguere per la prima volta tra diversi modelli teorici", ha affermato Gu.

Mentre i fisici si aspettano che DUNE produca misurazioni avanzate della sezione trasversale, i metodi sviluppati dalla collaborazione MicroBooNE forniscono una base per analisi future. L'attuale misurazione della sezione trasversale è già impostata per guidare ulteriori sviluppi sui modelli teorici.

Nel frattempo, il team di MicroBooNE si concentrerà sull'ulteriore miglioramento della misurazione della sezione trasversale. La misurazione attuale è stata eseguita in una dimensione, ma la ricerca futura affronterà il valore in più dimensioni, ovvero in funzione di più variabili, ed esplorerà più vie della fisica sottostante. + Esplora ulteriormente

Individuazione di neutrini prodotti dall'acceleratore in un pagliaio cosmico