Pe măsură ce neutrinii se deplasează prin interiorul Pământului, aceștia oscilează.
Graficul de mai sus arată probabilitatea ca un neutrin miuonic (în roșu) produs la Fermilab să oscileze într-un neutrin tauonic (în albastru), un neutrin electronic (în verde) ori într-un neutrino steril (în gri).
Credit imagine: APS/Carin Cain
Proiectul de cercetare colaborativ MicroBooNE a reușit să obțină un rezultat foarte important în studiul neutrinilor: caracterizarea modului în care aceștia interacționează în argon în funcție de energie. Este un rezultat important care va fi folosit în viitorul proiect, DUNE, care-și propune descifrarea misterului acestor fantomatice particule.
Neutrinii
Neutrinii sunt particule care fac parte din familia leptonilor din cadrul teoriei modelului standard al fizicii particulelor elementare.
Există trei tipuri de neutrini: neutrinii electronici, cei miuonici și cei tauonici. Neutrinii sunt implicați doar la interacțiunea nucleară slabă, ceea ce face ca interacțiunea lor cu materia să fie extrem de slabă.
Neutrinii pot traversa întreaga planetă fără să interacționeze cu niciunul dintre atomii care formează Terra, iar din acest motiv studiul lor este extrem de dificil. Avem nevoie de fluxuri mari de neutrini, dar și de detectoare cu masă și volum cât mai mari.
Oscilația neutrinilor
Multă vreme s-a crezut că neutrinii nu au masă, fiind asemănători fotonilor.
Un fenomen observat cu ceva vreme în urmă ne-a făcut însă să ne schimbăm opinia. Este vorba despre oscilația neutrinilor. Adică neutrini care pornesc de la o sursă (de exemplu de la Soare, care emite foarte mulți neutrini ce sunt produși în interacțiunile nucleare care au loc în inima astrului) ca neutrini de un anumit tip ajung la detector că neutrini de alt tip. De exemplu dacă de la Soare pleacă neutrini electronici, o parte dintre aceștia se transformă în neutrini miuonici (sau tauonici).
Probabilitatea de a oscila depinde de energia neutrinilor și de distanță. În plus, este un fenomen cuantic care are loc doar dacă neutrinii au masă. Nu știm însă cât este masa, întrucât este extrem de mică și este foarte dificil să o măsurăm. Totuși, măsurăm neutrinii cu precizie din ce în ce mai mare, cu obiectivul de a reuși în sfârșit să măsoare masa acestora, precum și alte proprietăți.
MicroBooNE și neutrinii
În acest context un rezultat recent obținut în cadrul proiectului MicroBooNE de la Fermi National Accelerator Laboratory din Statele Unite și publicat în Phys. Rev. Letters este extrem de interesant și important.
Cercetătorii de la MicroBooNE a reușit să descrie modul în care neutrinii miuonici interacționează în argon lichid (din care era făcut detectorul) în funcție de energia acestora. Este vorba despre neutrini miuonici care sunt măsurați în urma interacțiunii în argon, din care rezultă un miuon (și alte particule). Practic, a fost măsurată secțiunea eficace de interacțiune a neutrinilor în argon în funcție de energie. Precizia acestor calcule este cea mai mare până în prezent.
DUNE
Acest rezultat este important, întrucât va fi la baza noului experiment care va studia neutrinii și oscilația acestora cu o precizie foarte bună.
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) va măsura atât neutrinii, cât și antineutrinii miuonici – oscilația acestora.
Unul dintre obiective este cel de a observa eventuale diferențe între comportamentul neutrinilor și cel al antineutrinilor, ceea ce ne-ar ajuta să înțelegem mai bine misterul dispariției antimateriei din univers.
DUNE va folosi tot detectoare de argon lichid și, în plus, va trimite neutrinii de la Fermilab circa 1300 km pe sub pământ în Dakota de Sud, unde detectoare instalate într-un laborator subteran îi vor măsura (și vor observa câți oscilează).
Ce ne așteptăm?
În primul rând în viitor ne așteptăm să reușim să aflăm care este masa neutrinilor, deci o măsurătoare și nu doar limite în care s-ar încadra această masă.
Apoi am dori să știm dacă neutrinii și antineutrinii sunt una și aceeași particulă sau, dimpotrivă, particule diferite.
Aceste răspunsuri sunt foarte importante atât pentru fizică particulelor, cât și pentru cosmologie, ținând cont că universul este plin de neutrini!
Abstract (articolul original)
We report a measurement of the energy-dependent total charged-current cross section σ(Eν) for inclusive muon neutrinos scattering on argon, as well as measurements of flux-averaged differential cross sections as a function of muon energy and hadronic energy transfer (ν).
