Corectând o greșeală, fizicienii nucleari îmbunătățesc precizia cercetării neutrino

La Universitatea Notre Dame, o porțiune din setul spectroscopic deuterat Oak Ridge a măsurat o reacție cauzatoare de zgomot la unii detectori de neutrini. Credit: Michael Febbraro / ORNL, Departamentul Energiei al SUA

Condus de Laboratorul Național Oak Ridge din Departamentul de Energie, un nou studiu clarifică o discrepanță în ceea ce privește principalul factor care contribuie la semnalele de fond nedorite în detectoarele de neutrini specializate. O mai bună caracterizare a fundalului ar putea îmbunătăți experimentele actuale și viitoare pentru a detecta semnale reale de la aceste particule subatomice neutre din punct de vedere electric și care interacționează slab și a înțelege rolul lor în univers.

„Am identificat o reacție cu discrepanțe semnificative între noua noastră măsură și datele istorice”, a spus Michael Febbraro, autorul principal al unui studiu publicat în Scrisori de recenzie fizică care prezintă o măsură îmbunătățită a reacției. “Este una dintre cele mai vechi reacții studiate vreodată și încă descoperim lucruri noi despre asta”.

O măsură anterioară din 2005, care fusese utilizată ca standard de referință, a fost analizată incorect. A fost luată în considerare doar starea de bază a particulelor decât un spectru de stări de bază și excitate. Noua măsurătoare, realizată cu o serie de detectoare bazate pe spectroscopie de neutroni și raze gamma secundare, a considerat întregul spectru al energiilor particulelor.

Febbraro, care a conceput experimentul și a construit detectoarele, a efectuat măsurarea cu Richard deBoer de la Universitatea Notre Dame și Steven Pain de la ORNL. Alți coautori reprezintă Universitatea din Surrey; Universitatea din Michigan, Ann Arbor; Universitatea din Tennessee, Knoxville; și Universitatea Rutgers.

Acești fizicieni nucleari nu și-au propus să studieze proprietățile neutrinilor; sunt de obicei preocupați de nucleele atomice și de interacțiunile lor. Dar în știință, descoperirile dintr-un domeniu au adesea un impact profund în alte domenii.

O cunoscută reacție nucleară transformă carbonul-13 în oxigen-16 și neutron. Aceeași reacție este un factor important în contextul experimentelor de măsurare a neutrinilor, fie că sunt emiși de soare, atmosferă, acceleratori, reactoare nucleare sau nucleul Pământului.

Este necesar să se cunoască viteza acestei reacții pentru a calcula cu precizie fundalul în detectoare, cum ar fi detectorul antineutrial Kamioka de scintilație lichidă din Japonia sau KamLAND. Folosind un accelerator de la Universitatea Notre Dame, cercetătorii au tras o particulă alfa (adică nucleul de heliu-4) către o țintă de carbon-13, formând scurt oxigen-17, care a decăzut în oxigen-16. și neutron. Cercetătorii au măsurat „secțiunea transversală” sau probabilitatea apariției unei reacții, care este proporțională cu rata producției de neutroni.

„Am constatat că setul de date globale actual este destul de incorect, deoarece nu au luat în considerare alte canale de reacție care sunt activate”, a spus Febbraro. “Avem un tip special de detector care ne permite să știm care este energia neutronilor și aceasta a fost principala tehnologie care a făcut posibilă această măsurare.”

Detectoarele de neutrino trebuie să fie mari pentru a crește semnalele slabe. KamLAND este umplut cu o sclipire pe bază de hidrocarburi, un ulei care interacționează cu neutrini și emite lumină. Aceste scintilații facilitează detectarea și numărarea neutrinilor evazivi. Cu toate acestea, produșii de degradare ai radonului, un gaz radioactiv natural, se combină cu carbonul-13, un izotop rar de carbon prezent în scintilație, creând oxigen-16 și neutroni care imită semnalele neutrino.

KamLAND cântărește aproximativ o mie de tone. Astfel, în timp ce carbonul 13 reprezintă doar 1,1% din tot carbonul, KamLAND conține 10 tone. Radonul care intră în detector se dezintegrează în elemente fiice cu energii diferite. Particulele alfa produse de aceste dezintegrări interacționează cu carbonul-13, creând un fundal care copleșește semnalul neutrino. „Este principala sursă de fond în aceste experimente”, a spus Febbraro.

Măsura de referință anterioară a reacției măsurase numai nucleele la cel mai scăzut nivel de energie sau la starea de bază. Dar nucleele trăiesc și la niveluri mai ridicate de energie, numite stări excitate. Diferite niveluri de energie afectează probabilitatea ca o reacție să urmeze o cale specifică.

„Am îmbunătățit foarte mult precizia și precizie de măsurători prin utilizarea unei configurații sensibile la un spectru de energii neutronice ”, a spus Febbraro.

Comunitatea științifică globală folosește baze de date nucleare evaluate care conțin măsuri de referință generate de experți și revizuite de la egal la egal. Pentru a estima fondul KamLAND, fizicienii KamLAND au extras măsura de referință din 2005 generată de fizicienii nucleari dintr-una dintre aceste baze de date, Biblioteca japoneză de date nucleare evaluată. Au presupus că măsurarea a fost corectă și a conectat-o ​​la calculele lor.

“Presupunerea că statele excitate nu contează nu este adevărată”, a spus Febbraro. “Includerea stărilor excitate nu numai că modifică dimensiunea fundalului pe care o provoacă în KamLAND, dar afectează și diverse aspecte ale semnalului neutrino.”

Fizicianul ORN Kelly Chipps, care a contribuit la analiza datelor și la interpretarea rezultatelor împreună cu coechipierul Michael ORNL, a fost de acord.

„Fundalul este ceva ce trebuie să înțelegeți cu precizie”, a spus el. „În caz contrar, numărul evenimentelor reale pe care le-ați văzut ar putea fi complet greșit”.

Solicitarea unui detector mare de neutrini plin de paiete pentru a distinge fundalul semnalului este ca și cum ai fi bandajat, hrănit cu bomboane de ciocolată cu un strat de bomboane roșii sau verzi și cerându-le să explice câte bomboane roșii ai mâncat.

„Problema este că toate dulciurile au același gust”, a spus Chipps. „Pentru a afla câte bomboane roșii ați mâncat, cumpărați numărul total de bomboane și sunați producătorul de ciocolată pentru a întreba câte bomboane roșii sunt de obicei într-o pungă.”

La fel cum cunoașterea acestei proporții vă va permite să faceți o estimare a cantităților de bomboane, informațiile de referință din bazele de date nucleare evaluate permit oamenilor de știință să estimeze numărul de neutrini.

„Se pare că experimentul nostru a primit un răspuns diferit de ceea ce spunea„ producătorul de bomboane ”ar trebui să fie proporția”, a continuat Chipps. „Acest lucru nu se datorează faptului că producătorul a dorit să dea un răspuns greșit; se datorează faptului că mașina dvs. de sortare a fost programată cu o valoare incorectă “.

Noua rată de producție a neutronilor găsită de Febbraro și colegii săi de fizică nucleară poate fi utilizată acum de către fizicienii care lucrează la KamLAND și alte experimente de neutrini pe bază de scintilație lichidă pentru a scădea fundalurile cu mai multă precizie și precizie.

De la această nouă măsurare, echipa Febbraro a folosit detectorul special pentru a măsura reacții similare. Au descoperit discrepanțe în ratele de producție a neutronilor pentru o jumătate de duzină de izotopi. „Calculele din această regiune masivă nu sunt foarte fiabile”, a spus el.

Referință: „Noutate 13C (α, n)16O Secțiune transversală cu implicații pentru amestecarea neutrinilor și măsurarea geoneutrinilor ”de M. Febbraro, RJ deBoer, SD Pain, R. Toomey, FD Becchetti, A. Boeltzig, Y. Chen, KA Chipps, M. Couder, KL Jones, E. Lamere, Q. Liu, S. Lyons, KT Macon, L. Morales, WA Peters, D. Robertson, BC Rasco, K. Smith, C. Seymour, G. Seymour, MS Smith, E. Stech , B. Vande Kolk și M. Wiescher, 7 august 2020, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.062501

Dezvoltarea detectorului a fost susținută de Oficiul Științei DOE. Măsurarea a fost făcută la Laboratorul de Științe Nucleare de la Universitatea Notre Dame, care are sprijinul Fundației Naționale pentru Științe.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ouă de pasăre marine contaminate cu cocktail chimic de aditivi din plastic

Pui de pescăruș și ouă. Credit: profesorul Jon Blount Aditivii chimici utilizați în producția de plastic au fost găsiți în ouăle de pescăruș hering,...

Oglinzi comutabile create din metal lichid

Cercetătorii au dezvoltat o modalitate de a schimba în mod dinamic suprafața metalului lichid între stările reflectante (stânga sus și dreapta jos) și dispersie...

Dieta cu junk food poate crește riscul conducerii periculoase în rândul șoferilor de camioane

Dietele nesănătoase sunt asociate cu mai multă oboseală: principalul motiv al riscului crescut de accidente, spun cercetătorii. O dietă cu junk food poate crește oboseala...

Fotosinteza artificială promite o sursă de energie curată și durabilă

Oamenii pot face multe lucruri pe care plantele nu le pot face. Putem să ne plimbăm, putem vorbi, putem auzi și vedea și...

Gheața de mare din Arctica devine mai subțire de două ori mai repede decât era de așteptat

Gheața arctică în declin a Pământului este fără îndoială una dintre cele mai mari victime ale schimbărilor climatice, ale căror consecințe sunt de anvergură,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.