Çekirdeklerle Etkileşen Nötrinolar

Çekirdeklerle etkileşime giren nötrinolar. Kredi: DOE’nin Jefferson Laboratuvarı

Kariyerinin başındaki nükleer fizikçiler, yaklaşan deneylerden en iyi şekilde yararlanmak için nötrinoların madde ile nasıl etkileşime girdiğinin daha iyi anlaşılması gerektiğini gösteriyor.

Nötrinolar, maddenin egemen olduğu evrenimizin kökenlerine dair bir gizemi nihayet çözmenin anahtarı olabilir ve parçacıkların sırlarını ortaya çıkarmak için iki büyük, milyar dolarlık deney için hazırlıklar sürüyor. Şimdi, nükleer fizikçilerden oluşan bir ekip, bu deneylerin kritik bilgileri yakalamaya nasıl daha iyi hazırlanabileceğine dair içgörü sağlamak için mütevazı elektrona yöneldi. ABD Enerji Bakanlığı’nın Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisinde gerçekleştirilen ve yakın zamanda yayınlanan araştırmaları Doğa, yüksek hassasiyetli sonuçlar elde etmek için deneyler için nötrino modellerinde büyük güncellemelerin gerekli olduğunu ortaya koymaktadır.

Nötrinolar her yerde bulunur, evrenimizin her yerindeki yıldızlar tarafından çok sayıda üretilir. Yaygın olmalarına rağmen, bu utangaç parçacıklar madde ile nadiren etkileşime girerek onları incelemeyi çok zorlaştırır.

“Bir türden diğerine değişen bu nötrino fenomeni var ve bu fenomene nötrino salınımı denir. Bu fenomeni incelemek ilginç, çünkü iyi anlaşılmıyor,” diyor, Profesör ve Seçkin Akademisyen Larry Weinstein’ın araştırma grubundaki Old Dominion Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan çalışmanın yardımcı yazarlarından Mariana Khachatryan, katkıda bulunduğunda. Araştırma. Şu anda Florida International Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırma görevlisidir.

Nötrino salınımını incelemenin bir yolu, yeraltındaki nötrinoları ölçmek için devasa, ultra hassas dedektörler inşa etmektir. Dedektörler tipik olarak büyük çekirdekli yoğun malzemeler içerir, bu nedenle nötrinoların onlarla etkileşime girme olasılığı daha yüksektir. Bu tür etkileşimler, dedektörler tarafından kaydedilen bir dizi başka partikülü tetikler. Fizikçiler bu verileri nötrinolarla ilgili bilgileri ortaya çıkarmak için kullanabilirler.

“Nötrino fizikçilerinin bunu yapma şekli, nötrinoların çekirdeklerle etkileşiminden çıkan tüm parçacıkları ölçmek ve gelen nötrino enerjisini nötrino, salınımları hakkında daha fazla bilgi edinmek ve onları çok, çok hassas bir şekilde ölçmek için yeniden yapılandırmaktır.” Adi Aşkenazi. Ashkenazi, bu projede Profesör Or Hen’in Massachusetts Institute of Technology’deki araştırma grubunda araştırma uzmanı olarak çalışan çalışmanın iletişim yazarıdır. Şimdi Tel Aviv Üniversitesi’nde kıdemli öğretim görevlisi.

Ashkenazi, “Detektörler ağır çekirdeklerden yapılmıştır ve nötrinoların bu çekirdeklerle etkileşimleri aslında çok karmaşık etkileşimlerdir.” Dedi. “Bu nötrino enerjisini yeniden yapılandırma yöntemleri hala çok zorlu ve onları tanımlamak için kullandığımız modelleri geliştirmek bizim işimiz.”

Bu yöntemler, fizikçilerin gelen nötrinoların enerjilerini çıkarmasına izin veren GENIE adlı teorik bir simülasyonla etkileşimleri modellemeyi içerir. GENIE, her biri fizikçilerin nötrinolar ve çekirdekler arasındaki etkileşimlerin belirli yönlerini yeniden üretmelerine yardımcı olan birçok modelin bir karışımıdır. Nötrinolar hakkında çok az şey bilindiğinden, Derin Yeraltı Nötrino Deneyi (DUNE) gibi gelecekteki nötrino deneyleri tarafından sağlanacak yeni verilerden hem doğru hem de yüksek hassasiyetli sonuçlar üreteceğinden emin olmak için GENIE’yi doğrudan test etmek zordur. Hiper-Kamiokande.

GENIE’yi test etmek için ekip, nükleer fizikçilerin hakkında çok şey bildiği mütevazı bir parçacığa yöneldi: elektron.

“Bu, elektronlar ve nötrinolar arasındaki benzerliklerden yararlanır. Nötrino-çekirdek etkileşim modellerini doğrulamak için elektron çalışmaları kullanıyoruz” dedi Khachatryan.

Nötrinolar ve elektronların birçok ortak noktası vardır. Her ikisi de lepton adı verilen atom altı parçacık ailesine aittir, bu nedenle her ikisi de güçlü kuvvetten etkilenmeyen temel parçacıklardır.

Bu çalışmada ekip, nötrino araştırmacılarının kullanacağı aynı gelen enerji yeniden yapılandırma algoritmalarını test etmek için e-GENIE olarak adlandırılan GENIE’nin elektron saçan bir versiyonunu kullandı. Nötrinoları kullanmak yerine, son elektron sonuçlarını kullandılar.

Aşkenazi, “Elektronlar yıllardır çalışılıyor ve elektronların ışınları çok hassas enerjilere sahip” dedi. “Enerjilerini biliyoruz. Ve gelen enerjiyi yeniden oluşturmaya çalışırken, bunu bildiklerimizle karşılaştırabiliriz. Metotlarımızın çeşitli enerjiler için ne kadar iyi çalıştığını test edebiliriz, ki bu nötrinolarla yapamayacağınız bir şey.”

Çalışmanın girdi verileri, bir DOE kullanıcı tesisi olan Jefferson Lab’ın Sürekli Elektron Işını Hızlandırıcı Tesisinde CLAS dedektörü ile yapılan deneylerden geldi. CEBAF, maddenin doğasını araştırmak için dünyanın en gelişmiş elektron hızlandırıcısıdır. Ekip, nötrino deneylerinde incelenecek en basit durumu doğrudan yansıtan verileri kullandı: helyum, karbon ve demir çekirdeklerinden bir elektron ve bir proton (bir müon ve bir protona karşı) üreten etkileşimler. Bu çekirdekler, nötrino deney dedektörlerinde kullanılan malzemelere benzer.

Ayrıca grup, GENIE’nin elektron versiyonunun nötrino versiyonuna mümkün olduğunca paralel olmasını sağlamak için çalıştı.

Araştırmanın başyazarı ve aynı üniversitede yüksek lisans öğrencisi olan Afroditi Papadopoulou, “Nötrino deneylerinde kullanılanla tamamen aynı simülasyonu kullandık ve aynı düzeltmeleri kullandık” dedi. İLE BİRLİKTE Hen’in araştırma grubunda da yer alıyor. “Model, en basitleştirilmiş durumdan bahsettiğimiz elektronlar için işe yaramazsa, asla nötrinolar için çalışmayacaktır.”

Bu en basit durumda bile, doğru modelleme çok önemlidir, çünkü elektron-çekirdek etkileşimlerinden elde edilen ham veriler tipik olarak doğru gelen elektron ışını enerjisine zamanın yarısından daha kısa sürede yeniden yapılandırılır. İyi bir model bu etkiyi açıklayabilir ve verileri düzeltebilir.

Ancak, bu veri olaylarını modellemek için GENIE kullanıldığında, daha da kötü performans gösterdi.

“Bu, nötrino salınım sonuçlarını saptırabilir. Simülasyonlarımız, nötrino deneylerinde doğru olacağına güvenebilmemiz için bilinen ışın enerjileriyle elektron verilerimizi yeniden üretebilmelidir” dedi Papadopoulou.

Khaçatryan kabul etti.

Khachatryan, “Sonuç aslında bu enerji yeniden yapılandırma yöntemlerinin ve modellerinin iyileştirilmesi gereken yönleri olduğuna işaret ediyor” dedi. “Ayrıca gelecekteki deneyler için bunu başarmanın bir yolunu da gösteriyor.”

Bu araştırma için bir sonraki adım, nötrino araştırmacılarının ilgisini çeken spesifik hedef çekirdekleri ve daha geniş bir gelen elektron enerjileri spektrumunda test etmektir. Doğrudan karşılaştırma için bu özel sonuçlara sahip olmak, nötrino araştırmacılarına modellerinde ince ayar yapma konusunda yardımcı olacaktır.

Çalışma ekibine göre amaç, DUNE ve Hyper-Kamiokande’nin beklenen yüksek hassasiyetli sonuçlarını elde etmelerini sağlamaya yardımcı olacak veriler ve modeller arasında geniş bir anlaşma sağlamaktır.

Referans: “Nötrino Salınım Ölçümleri için Elektron Işını Enerji Yeniden Yapılandırması” 24 Kasım 2021, Doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04046-5





#Elektronlar #Nötrino #Deneyleri #İçin #Sahneyi #Hazırlıyor #Maddenin #Hakim #olduğu #Evrenimizin #Kökenlerinin #Gizemini #Çözüyor