Le détecteur MINERvA du Laboratoire Fermi aide les scientifiques à analyser les interactions des neutrinos avec les noyaux atomiques. Crédit :Reidar Hahn
Particules chargées, comme les protons et les électrons, peut être caractérisé par les traînées d'atomes que ces particules ionisent. En revanche, les neutrinos et leurs partenaires antiparticulaires n'ionisent presque jamais les atomes, leurs interactions doivent donc être reconstituées par la façon dont ils séparent les noyaux.
Mais quand la rupture produit un neutron, il peut emporter silencieusement une information critique :une partie de l'énergie de l'antineutrino.
La collaboration MINERvA du Fermilab a récemment publié un article pour quantifier les neutrons produits par les antineutrinos interagissant sur une cible en plastique.
La façon dont les antineutrinos changent entre leurs différents types pourrait aider à expliquer pourquoi l'univers moderne est dominé par la matière. Le modèle le plus prometteur de la façon dont ce comportement relie les particules et les antiparticules dépend de l'énergie des antineutrinos. Cependant, les neutrons peuvent laisser des trous dans le puzzle de l'identité d'un antineutrino car ils transportent de l'énergie et sont produits en différentes quantités par les neutrinos et les antineutrinos. Ce résultat de MINERvA vise à améliorer les prédictions de la façon dont les neutrons pourraient affecter les expériences neutrinos actuelles et futures, y compris l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, hébergé par Fermilab.
Dans cette étude, MINERvA a recherché des interactions antineutrinos qui produisent des neutrons. Les interactions antineutrinos étudiées par MINERvA ressemblent à une ou plusieurs traînées d'atomes ionisés pointant toutes vers un seul noyau. Contrairement aux particules chargées, les neutrons peuvent parcourir plusieurs dizaines de centimètres à partir d'une interaction antineutrino avant d'être détectés. Donc, la collaboration MINERvA a caractérisé l'activité neutronique sous forme de poches d'atomes ionisés isolées spatialement des traces de particules chargées et du point d'interaction.
Ce graphique illustre une interaction de neutrinos dans le détecteur MINERvA. La case rectangulaire met en évidence l'endroit où un neutrino a interagi à l'intérieur du détecteur. La case carrée juste au-dessus met en évidence l'apparition d'un neutron résultant de l'interaction neutrino. Crédit :MINERvA
Une interaction antineutrino peut produire d'autres types de particules neutres, qui peut simuler une interaction neutronique, et particules chargées, ce qui peut brouiller une mesure de comptage de neutrons en éjectant eux-mêmes des neutrons des noyaux. En outre, lorsque ces particules chargées ont une faible quantité de mouvement, ils peuvent aboutir à une masse d'ionisation trop proche du point d'interaction pour être comptée séparément, ce qui masque également la présence de particules neutres. Donc, les neutrons peuvent être comptés avec plus de précision dans les interactions antineutrinos qui produisent peu de particules supplémentaires. Les scientifiques de MINERvA ont utilisé des calculs de conservation de la quantité de mouvement pour éviter les interactions qui ont produit de nombreuses particules chargées.
Les mesures des neutrons des antineutrinos par d'autres expériences ont attendu que chaque neutron perde la majeure partie de son énergie avant de pouvoir être compté. Cependant, les neutrons de l'échantillon d'antineutrinos de MINERvA ont suffisamment d'énergie pour éliminer les autres neutrons des noyaux avec lesquels ils entrent en collision. Cette réaction en chaîne modifie à la fois l'énergie des neutrons d'origine et le nombre de neutrons détectés. Ce résultat se concentre sur les signes de neutrons à quelques dizaines de nanosecondes d'une interaction antineutrino.
En comprenant la production de neutrons de concert avec la caractérisation par MINERvA des interactions antineutrinos sur de nombreux noyaux, les futures études d'oscillation peuvent quantifier comment les neutrons non détectés pourraient affecter leurs conclusions sur les différences entre les neutrinos et les antineutrinos.
