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研究表明,中微子探测器经常提供不正确的粒子能量

2021-12-02 15:59     来源:physicsworld     原子核中微子

正在进行的工作:ProtoDune 的阳极平面组装模块,它是在 CERN 运行的 DUNE 中微子探测器的原型。DUNE 可以从这项对中微子检测的新研究中受益。(提供:Reidar Hahn/费米实验室)

中微子是通过观察它们撞击原子核时产生的粒子簇射来检测的,但使用电子代替中微子的新研究表明,用于重建来自这些簇射的传入中微子能量的模型通常会给出错误的答案。研究人员表示,这项工作突出了中微子-原子核相互作用理论中众所周知的差距,如果下一代中微子探测器,如美国的深层地下中微子实验(DUNE)和日本的Hyper-Kamiokande要充分发挥其潜力,改进这一理论至关重要。

中微子振荡的研究继续为超越粒子物理学标准模型的物理学提供诱人的线索。标准模型最初并没有预测中微子有质量,但加速器实验和天文观测都清楚地表明,中微子在传播过程中可以周期性地改变电子、μ 子和τ 中微子之间的味。这种中微子振荡只有在中微子有质量时才有可能,从而改变标准模型。

因此,表征中微子振荡是当今物理学的最高优先事项之一。麻省理工学院的Or Hen提供了一个例子。他说:“如果中微子和反中微子的相互作用严重违反了电荷平价对称性,那么在某些假设下,可以解释为什么我们生活在一个以物质为主的宇宙中,我们真的需要测量中微子和反中微子的振荡是否略有不同。”

能量重建

中微子的振荡率取决于它们的能量,因此需要知道这一点才能表征中微子振荡并寻找任何可能的异常。不幸的是,众所周知,中微子很难被探测到,因为它们与物质的相互作用极其微弱。个别实验的细节各不相同,但它们总是使用被传感器包围的大量物质(Hyper-Kamiokande 将使用水;DUNE 将使用液态氩)。当中微子与物质中的原子核相互作用时,传感器会拾取喷射出的粒子并重建入射中微子的能量。

一个问题是,这需要了解中微子如何与原子核相互作用。以色列特拉维夫大学的Adi Ashkenazi解释说:“重建中微子的能量就像看着天空中的烟花,并试图通过看到所有美丽的颜色来计算点燃爆炸的能量。” “模拟中有很多自由参数。”

单个探测器通常用中微子束校准。然而,中微子仅由粒子衰变产生(它本质上是随机的)因此产生单能中微子束是不可能的。这使得在检测带宽中的每个能量处校准检测器处的​​传入通量变得不可行。然而,e4ν(中微子的电子)合作的研究人员使用了研究原子核如何与电子相互作用的简单而令人惊讶的替代方法。使用粒子加速器很容易产生单能电子束,Hen 说,虽然电子-核相互作用的基本物理学不同于中微子-核相互作用的基本物理学,但模拟中的真正困难来自质子和中子之间的相互作用在细胞核中。

中微子的简单版本

“本质上,电子是中微子的一个简单版本,所以无论你认为你对中微子了解多少,如果同一个模型不能解释电子数据,那就是错误的。”Hen 说。

因此,e4ν 研究人员与位于弗吉尼亚州的 CLAS 合作组织(Hen 和 Ashkenazi 是两个小组的成员)合作,研究 1999 年的散射数据,其中已知能量的电子从碳、氦或铁靶上散射。他们选择了其中散射相对简单的子集——仅产生一个检测到的电子和一个质子。在Nature 上的一篇论文中,研究人员将电子相互作用当作中微子来分析,使用标准模拟来重建入射粒子的能量。对于碳,只有 30-40% 的模拟估计能量在实际束能量的 5% 以内。对于铁,比例仅为20-25%。

科罗拉多大学博尔德分校的Eric Zimmerman说:“模型与数据不一致,你不应该感到惊讶。“已经产生了各种各样的中微子相互作用模型,他们的预测有很多变化。我认为这项工作的主要价值是这个数据集可能会用于使模型变得更好,如果它还没有的话。”

“对于任何关注的人来说,这应该不足为奇,”德克萨斯州休斯顿大学的Daniel Cherdack表示同意。“真正的问题是谁在关注,为什么?” Zimmerman 和 Cherdack 都认为探测器的当前结果是值得信赖的,因为模型的不确定性已被计入误差计算中。然而,Cherdack 表示,如果更大的探测器要发现更小的影响,这些不确定性将需要变得更小。“这是一篇重要的论文,因为它突出了中微子物理学中不经常出现在前面的部分,而自然关注这一点的事实非常重要,因为这是其中之一我们真的需要想办法让 DUNE 成为一个成功的实验。”


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