Електрони створюють основу для майбутніх експериментів з нейтрино

Нейтрино може стати ключем до остаточного розкриття таємниці походження нашого всесвіту, в якому переважає матерія, і зараз ведуться приготування до двох великих експериментів, щоб розкрити секрети частинок. Команда фізиків-ядерників звернулася до електрону, щоб зрозуміти, як ці експерименти можуть краще підготуватися до збору важливої інформації. Їх дослідження, проведене в Національному прискорювальному комплексі Томаса Джефферсона і нещодавно опубліковане в журналі Nature, показує, що для досягнення високоточних результатів необхідні серйозні оновлення моделей нейтрино.


Нейтрино повсюдно поширені, у великій кількості вони генеруються зірками по всьому нашому Всесвіту. І хоча ці частинки широко поширені, вони рідко взаємодіють з матерією, що ускладнює їх вивчення.

"Існує явище зміни нейтрино від одного типу до іншого, і це явище називається осциляцією нейтрино. І це явище недостатньо вивчене ", - кажуть дослідники.

Один із способів вивчення осциляцій нейтрино - створення гігантських надчутливих детекторів для вимірювання нейтрино глибоко під землею. Детектори зазвичай містять щільні матеріали з великими ядрами, тому нейтрино з більшою ймовірністю взаємодіють з ними. Такі взаємодії запускають каскад інших частинок, які реєструються детекторами. Фізики можуть використовувати ці дані, щоб отримати інформацію про нейтрино.

«Детектори складаються з важких ядер, і взаємодії нейтрино з цими ядрами насправді є дуже складними взаємодіями», - кажуть вчені. «Ці методи відновлення енергії нейтрино як і раніше дуже складні, і наша робота полягає в поліпшенні моделей, які ми використовуємо для їх опису».

Ці методи включають моделювання взаємодій за допомогою теоретичного моделювання під назвою GENIE, що дозволяє фізикам робити висновки про енергії нейтрино. GENIE - це суміш багатьох моделей, кожна з яких допомагає фізикам відтворити певні аспекти взаємодії між нейтрино і ядрами. Оскільки про нейтрино відомо мало, складно безпосередньо протестувати GENIE, щоб гарантувати, що він буде давати високоточні результати на основі нових даних, які будуть надані в майбутніх нейтринних експериментах, таких як Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) або Hyper-Kamiokande.

Щоб перевірити GENIE, команда вчених звернулася до простої частини, про яку фізики-ядерники знають набагато більше: до електрону.

У нейтрино і електронів багато спільного. Обидва вони належать до сімейству субатомних частинок, званих лептонами, тому обидва є елементарними частинками, на які не діє сильна взаємодія.

У новому дослідженні вчені використовували версію GENIE для розсіювання електронів, що отримала назву e-GENIE, для перевірки тих же алгоритмів відновлення надходить енергії, які будуть використовувати дослідники нейтрино. Замість нейтрино вони використовували недавні результати електронів.

"Електрони вивчаються роками, і пучки електронів мають дуже точну енергію. Ми знаємо їх енергії. І коли ми намагаємося відновити цю енергію, ми можемо порівняти це з тим, що ми знаємо. Ми можемо перевірити, наскільки добре наші методи працюють для різних енергій, чого не можна зробити з нейтрино ".

Вихідні дані для дослідження були отримані в результаті експериментів, проведених з детектором CLAS в лабораторії Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility. CEBAF - це найдосконаліший у світі прискорювач електронів для дослідження природи матерії. Команда використовувала дані, які безпосередньо відображали найпростіший випадок, що вивчається в нейтринних експериментах: взаємодії, в результаті яких виникали електрон і протон (а не мюон і протон) з ядер гелію, вуглецю і заліза. Ці ядра аналогічні матеріалам, що використовуються в детекторах нейтринних експериментів.

Крім того, група працювала над тим, щоб електронна версія GENIE була якомога паралельніша нейтринною.

«Ми використовували ту ж симуляцію, що і в нейтринних експериментах, і ми використовували ті ж поправки», - пояснили фізики. «Якщо модель не працює для електронів, де ми говоримо про найспрощеніший випадок, вона ніколи не буде працювати для нейтрино».

Навіть у цьому найпростішому випадку точне моделювання має вирішальне значення, тому що необроблені дані електронно-ядерних взаємодій зазвичай відновлюються до правильної енергії вхідного електронного пучка менш ніж у половині випадків. Хороша модель може врахувати цей ефект і виправити дані.

Однак, коли GENIE використовувався для моделювання цих подій даних, він працював ще гірше.

"Це може спотворити результати осциляцій нейтрино. Наші симуляції повинні мати можливість відтворювати наші електронні дані з відомими енергіями пучка, перш ніж ми зможемо повірити, що вони будуть точними в нейтринних експериментах ", - кажуть дослідники.

Результат фактично вказує на те, що є аспекти цих методів і моделей реконструкції енергії, які необхідно поліпшити.

Наступним кроком у цьому дослідженні є тестування конкретних ядер-мішеней, що становлять інтерес для дослідників нейтрино, і в більш широкому спектрі енергій вступників електронів. Отримання цих конкретних результатів для прямого порівняння допоможе дослідникам нейтрино в доопрацюванні своїх моделей.

За словами дослідницької групи, мета полягає в тому, щоб досягти широкої згоди між даними і моделями, що допоможе гарантувати, що DUNE і Hyper-Kamiokande зможуть досягти очікуваних результатів з високою точністю.

Дослідження було опубліковано в журналі Nature.