Bahnbrechende MicroBooNE-Messung verdeutlicht Neutrino-Wechselwirkungen

Physiker, die geisterhafte Teilchen namens Neutrinos aus der internationalen MicroBooNE-Kollaboration untersuchen, haben über eine einzigartige Messung berichtet: einen umfassenden Satz der energieabhängigen Wirkungsquerschnitte der Neutrino-Argon-Wechselwirkung. Diese Messung markiert einen wichtigen Schritt zur Erreichung der wissenschaftlichen Ziele der nächsten Generation von Neutrino-Experimenten – nämlich des Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Neutrinos sind winzige subatomare Teilchen, die bekanntermaßen schwer fassbar und enorm häufig vorkommen. Während sie jeden Zentimeter der Erdoberfläche mit nahezu Lichtgeschwindigkeit endlos bombardieren, können Neutrinos durch Blei im Wert von einem Lichtjahr reisen, ohne jemals ein einziges Atom zu stören. Das Verständnis dieser mysteriösen Partikel könnte einige der größten Geheimnisse des Universums enthüllen.

Das MicroBooNE-Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) sammelt seit 2015 Daten über Neutrinos, teilweise als Testbed für DUNE, das sich derzeit im Bau befindet. Um schwer fassbare Neutrinos zu identifizieren, verwenden beide Experimente eine rauscharme Flüssig-Argon-Zeitprojektionskammer (LArTPC) – einen ausgeklügelten Detektor, der Neutrinosignale erfasst, wenn die Teilchen durch eiskaltes flüssiges Argon gehen, das bei -303 Grad Fahrenheit gehalten wird. Die Physiker von MicroBooNE haben bei DUNE LArTPC-Techniken für großflächige Detektoren verfeinert.

Jetzt hat eine Teamarbeit unter der Leitung von Wissenschaftlern des Brookhaven National Laboratory des DOE in Zusammenarbeit mit Forschern der Yale University und der Louisiana State University diese Techniken weiter verfeinert, indem der Neutrino-Argon-Querschnitt gemessen wurde. Ihre heute veröffentlichte Arbeit in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Der Neutrino-Argon-Querschnitt stellt dar, wie Argonkerne auf ein einfallendes Neutrino reagieren, wie die im Neutrinostrahl, der von MicroBooNE oder DUNE erzeugt wird“, sagte Brookhaven Lab-Physiker Xin Qian, Leiter der MicroBooNE-Physikgruppe von Brookhaven. „Unser ultimatives Ziel ist es, die Eigenschaften von Neutrinos zu untersuchen, aber zuerst müssen wir besser verstehen, wie Neutrinos mit dem Material in einem Detektor, wie etwa Argonatomen, interagieren.“

Eine der wichtigsten Neutrino-Eigenschaften, die DUNE untersuchen wird, ist, wie die Teilchen zwischen drei verschiedenen „Geschmacksrichtungen“ oszillieren: Myon-Neutrino, Tau-Neutrino und Elektron-Neutrino. Wissenschaftler wissen, dass diese Oszillationen unter anderem von der Energie der Neutrinos abhängen, aber diese Energie ist sehr schwer abzuschätzen. Neutrino-Wechselwirkungen sind nicht nur von Natur aus äußerst komplex, sondern es gibt auch eine große Energiestreuung in jedem Neutrinostrahl. Die Bestimmung der detaillierten energieabhängigen Wirkungsquerschnitte liefert Physikern eine wesentliche Information zur Untersuchung von Neutrino-Oszillationen.

„Sobald wir den Querschnitt kennen, können wir die Berechnung umkehren, um die durchschnittliche Neutrinoenergie, den Geschmack und die Oszillationseigenschaften aus einer großen Anzahl von Wechselwirkungen zu bestimmen“, sagte Wenqiang Gu, Postdoc am Brookhaven Lab, der die physikalische Analyse leitete.

Um dies zu erreichen, entwickelte das Team eine neue Technik, um den detaillierten energieabhängigen Querschnitt zu extrahieren.

„Frühere Techniken haben den Querschnitt als Funktion von Variablen gemessen, die leicht rekonstruiert werden können“, sagte London Cooper-Troendle, ein Doktorand der Yale University, der im Rahmen des Graduate Student Research Program des DOE am Brookhaven Lab stationiert ist. „Wenn Sie beispielsweise ein Myon-Neutrino untersuchen, sehen Sie im Allgemeinen ein geladenes Myon, das aus der Teilchenwechselwirkung hervorgeht, und dieses geladene Myon hat genau definierte Eigenschaften wie seinen Winkel und seine Energie Funktion des Myonwinkels oder der Myonenenergie. Aber ohne ein Modell, das „fehlende Energie“ genau erklären kann, ein Begriff, den wir verwenden, um zusätzliche Energie in den Neutrino-Wechselwirkungen zu beschreiben, die nicht den rekonstruierten Variablen zugeordnet werden kann, würde diese Technik Experimente erfordern konservativ zu handeln.“

Das von Brookhaven geleitete Forschungsteam versuchte, den Neutrinoenergie-Rekonstruktionsprozess mit beispielloser Präzision zu validieren und die theoretische Modellierung von Neutrino-Wechselwirkungen wie für DUNE erforderlich zu verbessern. Dazu nutzte das Team sein Fachwissen und seine Erkenntnisse aus früheren Arbeiten am MicroBooNE-Experiment, wie beispielsweise seine Bemühungen zur Rekonstruktion von Wechselwirkungen mit verschiedenen Neutrino-Flavours.

„Wir haben eine neue Einschränkung hinzugefügt, um die mathematische Modellierung der Neutrinoenergie-Rekonstruktion deutlich zu verbessern“, sagte Hanyu Wei, Assistenzprofessor der Louisiana State University, zuvor Goldhaber-Stipendiat in Brookhaven.

Das Team validierte dieses neu eingeschränkte Modell anhand experimenteller Daten, um die erste detaillierte energieabhängige Neutrino-Argon-Querschnittsmessung zu erstellen.

„Die Ergebnisse der Neutrino-Argon-Querschnitte aus dieser Analyse sind zum ersten Mal in der Lage, zwischen verschiedenen theoretischen Modellen zu unterscheiden“, sagte Gu.

Während die Physiker erwarten, dass DUNE verbesserte Messungen des Wirkungsquerschnitts liefert, bilden die von der MicroBooNE-Kollaboration entwickelten Methoden eine Grundlage für zukünftige Analysen. Die aktuelle Querschnittsmessung soll bereits weitere Entwicklungen an theoretischen Modellen leiten.

In der Zwischenzeit wird sich das MicroBooNE-Team darauf konzentrieren, die Querschnittsmessung weiter zu verbessern. Die aktuelle Messung wurde in einer Dimension durchgeführt, aber zukünftige Forschung wird den Wert in mehreren Dimensionen angehen – das heißt als Funktion mehrerer Variablen – und weitere Wege der zugrunde liegenden Physik erkunden.