Difficile de croire que vous pouvez jouer au billard avec des neutrinos, mais certains événements d'interaction neutrino sont plus proches du jeu que vous ne le pensez.

Dans ces interactions quasi-élastiques à courant chargé - interactions CCQE, pour faire court—un neutrino frappe une particule dans le noyau d'un atome—un proton ou un neutron. Deux particules émergent de la collision. L'un est un muon, un cousin plus lourd de l'électron. L'autre est soit un proton (si la particule stationnaire est un neutron) soit un neutron (si la particule stationnaire est un proton).

Les interactions de neutrinos qui résultent de ces réactions quasi-élastiques sont comme les collisions entre balles dans un jeu de billard :vous pouvez deviner l'énergie du neutrino entrant en mesurant la direction et l'énergie d'une seule des particules sortantes, à condition que vous connaissiez les types des quatre particules qui étaient dans l'interaction en premier lieu et la direction d'origine du neutrino.

Les interactions CCQE sont un mode d'interaction important des neutrinos dans les expériences d'oscillation de neutrinos actuelles et futures, comme l'expérience internationale Deep Underground Neutrino Experiment, hébergé par Fermilab.

Ils sont similaires aux interactions élastiques que tous les joueurs de billard connaissent, sauf d'une manière importante :la force nucléaire faible permet aux particules de passer d'un type à un autre, d'où le nom « quasi-élastique ». Dans ce jeu de billard subatomique, la bille blanche (neutrino) heurte une bille rouge fixe (proton), qui ressort de la collision sous la forme d'une boule orange (neutron).

Étant donné que la plupart des expériences modernes sur les neutrinos utilisent des cibles constituées de noyaux lourds allant du carbone à l'argon, les effets nucléaires et les corrélations entre les neutrons et les protons à l'intérieur du noyau peuvent provoquer des changements importants dans les taux d'interaction observés et des modifications de l'énergie estimée des neutrinos.

Chez MINERvA, les scientifiques identifient les interactions CCQE par une longue trace de muons laissée dans le détecteur de particules et potentiellement une ou plusieurs traces de protons. Cependant, cette signature expérimentale peut parfois être produite par des interactions non-CCQE dues à des effets nucléaires à l'intérieur du noyau cible. De la même manière, les effets nucléaires peuvent également modifier les particules à l'état final pour faire ressembler un événement CCQE à un événement non CCQE et vice versa.

Étant donné que les effets nucléaires peuvent rendre difficile l'identification d'un véritable événement CCQE, MINERvA rapporte des mesures basées sur les propriétés des particules à l'état final uniquement et les appelle des événements de type CCQE (car ils auront des contributions à la fois de véritables événements CCQE et non-CCQE). Un événement de type CCQE est un événement qui a au moins un muon sortant, un nombre quelconque de protons ou de neutrons, et pas de mésons comme particules à l'état final. (Mesons, comme les protons et les neutrons, sont constitués de quarks. Les protons et les neutrons ont trois quarks; les mésons en ont deux.)

MINERvA a mesuré la probabilité d'interactions de neutrinos de type CCQE à l'aide du faisceau de neutrinos de moyenne énergie du Laboratoire Fermi, avec un flux de neutrinos culminant à 6 GeV. Par rapport aux mesures antérieures de MINERvA, qui ont été menées avec un faisceau de basse énergie (flux de neutrinos de crête de 3 GeV), cette mesure a l'avantage d'une portée énergétique plus large et de statistiques beaucoup plus importantes : 1, 318, 540 événements de type CCQE contre 109, 275 événements dans des courses à faible énergie antérieures.

MINERvA a effectué ces mesures de probabilité d'interaction CCQE en fonction du carré de la quantité de mouvement transférée par le neutrino au noyau, que les scientifiques désignent par Q2. Le graphique montre des écarts entre les données et la plupart des prévisions dans les régions à faible Q2 et à Q2 élevé. En comparant la mesure de MINERvA avec différents modèles, les scientifiques peuvent les affiner et mieux expliquer la physique à l'intérieur de l'environnement nucléaire.

MINERvA a également effectué des mesures plus détaillées de la probabilité d'interaction des neutrinos sur la base de l'impulsion du muon sortant. Ils prennent en compte la quantité de mouvement du muon à la fois dans la direction de la trajectoire du neutrino entrant et dans la direction perpendiculaire à sa trajectoire. Ce travail aide les expériences actuelles et futures sur les neutrinos à comprendre leurs propres données sur un large éventail de cinématiques des muons.

Mateus Carneiro, anciennement du Centre brésilien de recherche en physique et de l'Université d'État de l'Oregon et maintenant au Brookhaven National Laboratory, et Dan Ruterbories de l'Université de Rochester ont été les principaux moteurs de cette analyse. Les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .