Per correggere un errore, i fisici nucleari stanno migliorando l’accuratezza degli studi sui neutrini

Un nuovo studio condotto dall’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia rivela una discrepanza per quanto riguarda il maggior contributo ai segnali di fondo indesiderati nei rivelatori di neutrini specializzati. Una migliore caratterizzazione del background potrebbe migliorare gli esperimenti attuali e futuri per scoprire veri segnali da queste particelle subatomiche elettricamente neutre che interagiscono debolmente e comprendere il loro ruolo nell’universo.

“Abbiamo identificato un’interazione con discrepanze significative tra la nostra nuova misurazione e i dati storici”, ha detto Michael Vibarrow di ORNL, autore principale di uno studio pubblicato sulla rivista ORNL. Lettere di revisione fisica Fornisce una migliore misura della reazione. “È una delle reazioni più antiche mai studiate e stiamo ancora scoprendo cose nuove al riguardo”.

Una delle misurazioni precedenti del 2005, utilizzata come standard di riferimento, è stata analizzata in modo errato. Ha osservato solo lo stato terreno delle particelle piuttosto che un insieme di stati fondamentali e stati eccitati. La nuova misurazione è stata eseguita con un array di rivelatori basato sulla spettroscopia dei neutroni e sui raggi gamma secondari e ha considerato l’intero spettro delle energie delle particelle.

Vibraro, che ha visualizzato l’esperimento e progettato i rilevatori, ha eseguito la misurazione con Richard de Boer dell’Università di Notre Dame e Stephen Payne dell’ORNL. Gli altri coautori rappresentano l’Università del Surrey; Università del Michigan, Ann Arbor; Università del Tennessee, Knoxville; E la Rutgers University.

Questi fisici nucleari non hanno avviato lo studio Neutrino Proprietà; Di solito a loro importa Nuclei atomici E le loro interazioni. Ma nella scienza, le scoperte in un campo spesso hanno effetti profondi sugli altri.

Una reazione nucleare nota trasforma il carbonio-13 in un ossigeno-16 e un neutrone. Questa stessa reazione è un importante contributo alla base degli esperimenti che misurano i neutrini, indipendentemente dal fatto che siano emessi dal sole, dall’atmosfera, dagli acceleratori, dai reattori nucleari o dal nucleo terrestre.

La velocità di questa reazione deve essere ben nota per calcolare accuratamente lo sfondo in rivelatori come il reagente antineutrino liquido giapponese Kamioka o KamLAND. Utilizzando l’acceleratore dell’Università di Notre Dame, i ricercatori hanno sparato una particella alfa (che significa un nucleo di elio 4) su un bersaglio di carbonio-13, formando brevemente ossigeno-17, che decade in ossigeno-16 e un neutrone. I ricercatori hanno misurato la “sezione trasversale”, o probabilità di una reazione, che è proporzionale alla velocità con cui vengono prodotti i neutroni.

“Abbiamo scoperto che l’attuale set di dati mondiali è in qualche modo errato, perché non prendeva in considerazione gli altri canali di interazione che operano”, ha affermato Vibraro. “Abbiamo un tipo speciale di rivelatore in grado di determinare cos’è l’energia dei neutroni, e questa è stata la tecnologia principale che ha reso possibile questa misurazione”.

I rilevatori di neutrini dovrebbero essere grandi per rinforzare i segnali deboli. KamLAND trabocca di un passato a base di idrocarburi, un olio che reagisce con i neutrini ed emette luce. Questa scintilla rende facile individuare e contare i neutrini sfuggenti. Tuttavia, i prodotti di decadimento del radon, un gas radioattivo presente in natura, si combinano con il carbonio-13, un raro isotopo del carbonio presente nell’apparato fluorescente, creando ossigeno-16 e neutroni che imitano i segnali da Neutrini.

Cameland pesa circa mille tonnellate. Pertanto, mentre il carbonio-13 rappresenta solo l’1,1% del carbonio totale, Kamland ne contiene 10 tonnellate. Il radon che entra nel reagente si decompone in elementi figlie di diverse energie. Le particelle alfa prodotte da quel decadimento interagiscono con il carbonio-13, creando uno sfondo che travolge il segnale del neutrino. “È la principale fonte di background per questi esperimenti”, ha detto Vibraro.

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

“Abbiamo notevolmente migliorato l’accuratezza e la precisione delle misurazioni utilizzando una configurazione delicata del sensore delle energie dei neutroni”, ha affermato Vibraro.

La comunità scientifica globale beneficia di database valutati in campo nucleare che contengono misurazioni di benchmark create da esperti e soggette a revisione tra pari. Per stimare il background di Cameland, i fisici di Camland hanno estratto la misura di riferimento del 2005 prodotta da Fisici nucleari Uno di questi database è la Japanese Resident Nuclear Data Library. Presumevano che la misurazione fosse corretta e l’hanno inserita nei loro calcoli.

“Il presupposto che le nazioni entusiaste non siano un compito non è corretto”, ha detto Vibraro. “L’inclusione di stati eccitati non solo cambia la dimensione dello sfondo che provocano in Kamand, ma influenza anche molteplici aspetti del segnale dei neutrini”.

La fisica dell’ORNL Kelly Chips, che ha aiutato ad analizzare i dati e interpretare i risultati, è d’accordo con il suo collega dell’ORNL Michael Smith.

“Lo sfondo è qualcosa che devi capire attentamente”, ha detto. “Altrimenti, il numero di eventi reali che hai visto potrebbe essere completamente sbagliato.”

Chiedere a un grande rilevatore di neutrini riempito di glitter per distinguere tra lo sfondo e il segnale è come essere bendati, nutrire il cioccolato con uno strato di caramelle rosso o verde e chiederti di specificare quanti cioccolato rosso hai mangiato.

“Il problema è che tutti i dessert hanno lo stesso sapore”, ha detto Chips. “Per scoprire quante caramelle rosse hai mangiato, puoi calcolare il numero totale di caramelle e contattare il produttore di cioccolato per chiedere quante caramelle rosse ci sono generalmente in un sacchetto”.

Proprio come conoscere questo rapporto consente 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 dolci ha detto che dovrebbe essere il rapporto”, ha detto Chips. “Questo non perché il produttore intendesse dare una risposta sbagliata, ma piuttosto perché la sua selezionatrice è stata programmata con un valore sbagliato”.

Il nuovo tasso di produzione di neutroni che Weberaro e colleghi hanno trovato nella fisica nucleare può ora essere utilizzato dai fisici che lavorano a Kamand e altri esperimenti sui neutrini basati sul flash liquido per sottrarre lo sfondo con maggiore accuratezza e precisione.

Da questa nuova misurazione, il team di Febbraro ha utilizzato uno speciale reagente per misurare reazioni simili. Hanno trovato discrepanze nei tassi di produzione di neutroni per una mezza dozzina di isotopi. “I conti in questa vasta area non sono molto affidabili”, ha detto.

Titolo Lettere di revisione fisica La carta “è nuova ¹³C (α, n)¹⁶O Sezione d’urto con implicazioni per la miscelazione dei neutrini e le misure di geoneutrino. Lo sviluppo dei reagenti è stato supportato dal Dipartimento di Scienze dell’Energia e la misurazione è stata eseguita presso il Laboratorio di Scienze Nucleari dell’Università di Notre Dame, che è supportato dalla National Science Foundation.