Beschleuniger-produzierte Neutrinos in einem kosmischen Heuhaufen entdecken

Physiker haben neue Werkzeuge entwickelt, um das kosmische „Rauschen“ abzuschwächen, wenn sie in Detektoren nahe der Erdoberfläche nach Anzeichen von Teilchen namens Neutrinos suchen. Diese Methode kombiniert Datensichtungstechniken mit Bildrekonstruktionsmethoden ähnlich der Computertomographie (CT) in der Medizin. Es hebt die Signale von Neutrinos, die von einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, von dem „Netz“ von Spuren ab, die von kosmischer Strahlung erzeugt werden. Diese kosmischen Reisenden sind 20.000-mal zahlreicher als Neutrino-Wechselwirkungen im Detektor. Das Herausfiltern der vielen Spuren kosmischer Strahlung soll Experimente auf der Erdoberfläche verbessern, die versuchen, das Verhalten der subatomaren Neutrinos zu verstehen.

Wissenschaftler entwickelten die neue Technik für den MicroBooNE-Detektor. MicroBooNE ist einer von drei Detektoren, die Neutrinos verfolgen, die von einem Beschleuniger bei Fermilab produziert werden. Wissenschaftler versuchen zu verstehen, wie sich diese subatomaren Teilchen zwischen drei „Geschmacksrichtungen“ verändern, indem sie die Anzahl jeder Art in unterschiedlichen Abständen vom Beschleuniger zählen. Das Erkennen von Diskrepanzen in den Neutrinozahlen könnte Wissenschaftlern helfen, den Mechanismus der Geschmacksverschiebung, Oszillation genannt, zu verstehen. Es könnte auch auf die Existenz einer vierten Neutrino-Varietät hinweisen. Der Ansatz sollte bei allen oberflächenbasierten Neutrino-Detektoren funktionieren, wo kosmische Strahlung Signale verschleiern kann, und er wird dem gesamten US-Neutrino-Forschungsprogramm zugute kommen.

Neutrino-Detektoren an der Erdoberfläche müssen die Signale schwer fassbarer Neutrino-Wechselwirkungen aus dem Hintergrund-„Rauschen“ der kosmischen Strahlung herausfiltern. MicroBooNE erkennt Spuren, die entstehen, wenn geladene Teilchen aus Neutrino-Wechselwirkungen Argonatome im Detektor ionisieren. Drei Drahtebenen im MicroBooNE-Experiment reagieren empfindlich auf Elektronen in den Ionisationsspuren. Jede Ebene erfasst ein Bild der Strecke in zwei Dimensionen. Computer setzen die 2D-Bilder zu 3D-Spuren zusammen – ähnlich wie Computertomographen (CT) 3D-Bilder innerer Organe aus 2D-Schnittbildern des menschlichen Körpers rekonstruieren. Bei MicroBooNE sagt die Form der Spur den Wissenschaftlern, welcher Neutrino-Geschmack die Wechselwirkung ausgelöst hat. Um Tausende von Spuren, die von kosmischer Strahlung erzeugt werden, auszusortieren, gleichen die Wissenschaftler zunächst die Spursignale mit Lichtblitzen ab, die ebenfalls bei Neutrino-Wechselwirkungen entstehen. Das Team entwickelte Algorithmen, um das Timing und die Lichtmuster für jede Photomultiplier-Röhre im Detektor mit den Positionen aller Partikelspuren zu vergleichen. Keine Übereinstimmung bedeutet, dass es kein Neutrino-Ereignis ist. Sie entwickelten auch Methoden, um Spuren zu eliminieren, die den Detektor vollständig durchqueren, und Spuren zu erkennen, die im Detektor und nicht außerhalb entstehen, wodurch die Aufgabe der Nullung auf die Neutrino-Ereignisse abgeschlossen wurde.