Les électrons ont ouvert la voie aux expériences sur les neutrinos

Les neutrinos sont peut-être la clé pour résoudre le mystère des origines de l’univers dominé par la matière, et les préparatifs sont en cours pour deux grandes expériences de plusieurs milliards de dollars pour percer les secrets de la particule. Maintenant, une équipe de physiciens nucléaires s’est tournée vers l’humble électron pour donner un aperçu de la façon dont ces expériences peuvent mieux se préparer à capturer des informations critiques. Leurs recherches ont été menées au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie et ont été récemment publiées dans tempérer la nature, révèle que des mises à jour majeures des modèles de neutrinos sont nécessaires pour que les expériences obtiennent des résultats à haute résolution.

Les neutrinos sont partout, générés en grand nombre par les étoiles de l’univers. Malgré leur prévalence, ces particules timides interagissent rarement avec la matière, ce qui rend leur étude très difficile.

Il y a un phénomène de neutrinos changeant d’un type à un autre, et ce phénomène est appelé oscillation de neutrinos. Marianna Khatchatourian, co-auteur de l’étude qui était étudiante diplômée à Old Dominion University Professor et chercheur principal Larry Weinstein lorsqu’elle a contribué et est maintenant chercheuse postdoctorale à la Florida International University, a déclaré :

Une façon d’étudier l’oscillation des neutrinos est de construireréactifs sensibles Mesurer les neutrinos dans les profondeurs de la Terre. Les détecteurs contiennent généralement des matériaux denses avec de gros noyaux, de sorte que les neutrinos sont plus susceptibles d’interagir avec eux. De telles interactions conduisent à une série d’autres particules qui sont enregistrées par les détecteurs. Les physiciens peuvent utiliser ces données pour extraire des informations sur les neutrinos.

« La façon dont les scientifiques neutrino le font est de mesurer toutes les particules qui sortent de l’interaction des neutrinos avec les noyaux et de reconstruire le neutrino entrant. » énergie Pour en savoir plus sur le neutrino, ses oscillations, et les mesurer très précisément », a expliqué Adi Ashkenazi. Ashkenazi est l’auteur de contact de l’étude qui a travaillé sur ce projet en tant que chercheuse dans le groupe de recherche du professeur O’Hen au MIT : elle est maintenant senior maître de conférences à l’université de Tel-Aviv.

« Les détecteurs sont constitués de noyaux lourds, et les interactions des neutrinos avec ces noyaux sont en fait des interactions très complexes », a déclaré Ashkenazi. « Ces méthodes de reconstruction de l’énergie des neutrinos sont encore très difficiles, et c’est notre travail d’améliorer les modèles que nous utilisons pour les décrire. »

Ces méthodes impliquent la modélisation des interactions avec une simulation théorique appelée GENIE, qui permet aux physiciens de déduire les énergies des neutrinos entrants. GENIE est une combinaison de plusieurs modèles, dont chacun aide les physiciens à reproduire certains aspects des interactions entre les neutrinos et les noyaux. Comme on sait si peu de choses sur les neutrinos, il est difficile de tester directement GENIE pour s’assurer qu’il produira des résultats précis et à haute résolution à partir des nouvelles données que fourniront les futures expériences sur les neutrinos, telles que Expérience de neutrinos souterrains profonds (DUNE) ou Hyper Kamiokandi.

Pour tester GENIE, l’équipe s’est tournée vers une humble particule que les physiciens nucléaires connaissent bien : l’électron.

« Cela exploite les similitudes entre Électrons et les neutrinos. « Nous utilisons des études d’électrons pour valider des modèles d’interaction des noyaux de neutrinos », a déclaré Khatchatourian.

Les neutrinos et les électrons ont de nombreux points communs. Les deux appartiennent à la famille des particules subatomiques appelées leptons, donc les deux sont des particules élémentaires qui ne sont pas affectées par la force forte.

Dans cette étude, l’équipe a utilisé une version à diffusion d’électrons de GENIE, surnommée e-GENIE, pour tester les mêmes algorithmes de reconstruction d’énergie entrante que les chercheurs sur les neutrinos utiliseront. Au lieu d’utiliser des neutrinos, ils ont utilisé des résultats électroniques récents.

« Les électrons ont été étudiés pendant des années et les faisceaux d’électrons ont des énergies très infimes », a déclaré Ashkenazi. « Nous connaissons leurs énergies. Et lorsque nous essayons de reconstruire cette énergie entrante, nous pouvons la comparer avec ce que nous savons. Nous pouvons tester le fonctionnement de nos méthodes à différentes énergies, ce que vous ne pouvez pas faire avec les neutrinos. »

Les données d’entrée pour l’étude proviennent d’expériences menées avec Détecteur CLAS À l’installation d’accélérateur de faisceau d’électrons continu du laboratoire Jefferson, une installation d’utilisateurs du DOE. Le CEBAF est l’accélérateur d’électrons le plus avancé au monde pour explorer la nature de la matière. L’équipe a utilisé des données qui reflètent directement le cas le plus simple à étudier dans les expériences sur les neutrinos : des interactions qui produisent un électron et un proton (par opposition à un muon et un proton) à partir de noyaux d’hélium, de carbone et de fer. Ces noyaux sont similaires aux matériaux utilisés dans les détecteurs de neutrinos.

De plus, le groupe a travaillé pour que la version électronique de GENIE soit aussi parallèle que possible à celle du neutrino.

« Nous avons utilisé les mêmes simulations que les expériences sur les neutrinos, et nous avons utilisé les mêmes corrections », a expliqué Afroditi Papadopoulou, co-auteur de l’étude et étudiant diplômé du MIT qui fait également partie du groupe de recherche Henn. « Si le modèle ne fonctionne pas pour les électrons, comme nous parlons du cas le plus simple, il ne fonctionnera jamais pour lui. neutrinos. « 

Même dans ce cas plus simple, une modélisation précise est essentielle, car les données brutes des interactions électron-nucléation reconstruisent généralement l’énergie correcte du faisceau d’électrons entrant en moins de la moitié du temps. Un bon modèle peut expliquer cet effet et corriger les données.

Cependant, lorsque GENIE a été utilisé pour modéliser ces événements de données, ses performances ont été pires.

« Cela peut biaiser les résultats des oscillations des neutrinos », a déclaré Papadopoulou. « Nos simulations doivent être capables de reproduire nos données d’électrons avec des énergies de faisceau connues avant que nous puissions être sûrs qu’ils seront précis dans les expériences sur les neutrinos. »

Khatchatourian accepta.

« Le résultat est en fait de suggérer que certains aspects de ces méthodes et modèles de reconstruction énergétique doivent être améliorés », a déclaré Khatchatourian. « Cela montre également une voie pour y parvenir pour les futurs essais. »

La prochaine étape de cette recherche consiste à tester des noyaux cibles spécifiques d’intérêt pour les chercheurs sur les neutrinos et une gamme plus large d’énergies d’électrons entrants. Disposer de ces résultats spécifiques pour une comparaison directe aidera les chercheurs sur les neutrinos à affiner leurs modèles.

Selon l’équipe d’étude, l’objectif est de parvenir à un large accord entre les données et les modèles, ce qui contribuera à garantir que DUNE et Hyper-Kamiokande atteignent les résultats haute résolution attendus.