Dirigé par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, une nouvelle étude clarifie un écart concernant le plus grand contributeur de signaux de fond indésirables dans les détecteurs spécialisés de neutrinos. Une meilleure caractérisation du bruit de fond pourrait améliorer les expériences actuelles et futures pour détecter des signaux réels provenant de ces faibles interactions, particules subatomiques électriquement neutres et comprendre leur rôle dans l'univers.

« Nous avons identifié une réaction avec des écarts importants entre notre nouvelle mesure et les données historiques, " a déclaré Michael Febbraro de l'ORNL, auteur principal d'une étude publiée dans Lettres d'examen physique qui présente une mesure améliorée de la réaction. "C'est l'une des réactions les plus anciennes jamais étudiées, et nous découvrons encore de nouvelles choses à ce sujet."

Une mesure plus ancienne de 2005, qui avait servi d'étalon de référence, avait été mal analysé. Il ne considérait que l'état fondamental des particules plutôt qu'un spectre d'états fondamentaux et excités. La nouvelle mesure, prise à l'aide d'un réseau de détecteurs basé sur la spectroscopie neutronique et les rayons gamma secondaires, considéré l'ensemble du spectre des énergies des particules.

Février, qui a conçu l'expérience et construit les détecteurs, a effectué la mesure avec Richard deBoer de l'Université de Notre Dame et Steven Pain de ORNL. D'autres co-auteurs représentent l'Université de Surrey; Université du Michigan, Ann Arbor; Université du Tennessee, Knoxville ; et l'Université Rutgers.

Ces physiciens nucléaires n'ont pas entrepris d'étudier les propriétés des neutrinos; ils sont généralement concernés par les noyaux atomiques et leurs interactions. Mais en sciences, les découvertes dans un domaine ont souvent de profondes répercussions sur d'autres domaines.

Une réaction nucléaire bien connue transforme le carbone-13 en oxygène-16 et en neutron. Cette même réaction est un contributeur majeur à l'arrière-plan des expériences qui mesurent les neutrinos, s'ils sont émis par le soleil, atmosphère, accélérateurs, réacteurs nucléaires ou le noyau de la Terre.

Le taux de cette réaction doit être bien connu pour calculer avec précision le bruit de fond dans des détecteurs comme le détecteur antineutrino à scintillateur liquide japonais Kamioka, ou KamLAND. En utilisant un accélérateur de l'Université de Notre Dame, les chercheurs ont tiré une particule alpha (c'est-à-dire, noyau d'hélium-4) sur une cible de carbone-13, formant brièvement de l'oxygène-17, qui s'est désintégré en oxygène-16 et un neutron. Les chercheurs ont mesuré la « section transversale, " ou la probabilité qu'une réaction ait lieu, qui est proportionnel au taux de production de neutrons.

"Nous avons constaté que l'ensemble de données mondiales actuel est un peu incorrect, car ils ne tenaient pas compte des autres canaux de réaction qui s'activent, " a déclaré Febbraro. "Nous avons un type spécial de détecteur qui peut dire quelle est l'énergie des neutrons, et c'était la principale technologie habilitante qui a rendu cette mesure possible."

Les détecteurs de neutrinos doivent être gros pour amplifier les signaux faibles. KamLAND est rempli d'un scintillateur à base d'hydrocarbures, une huile qui interagit avec les neutrinos et émet de la lumière. Ces étincelles permettent de repérer et de compter plus facilement les neutrinos insaisissables. Cependant, les produits de désintégration du radon, un gaz radioactif naturel, combiner avec du carbone-13, un isotope rare du carbone présent dans le scintillateur, créant l'oxygène-16 et les neutrons qui imitent les signaux des neutrinos.

KamLAND pèse environ mille tonnes. Donc, alors que le carbone-13 ne représente que 1,1% de tout le carbone, KamLAND en contient 10 tonnes. Le radon entrant dans le détecteur se désintègre en éléments filles ayant des énergies différentes. Les particules alpha produites par ces désintégrations interagissent avec le carbone-13, créant un arrière-plan qui submerge le signal neutrino. "C'est la principale source de fond dans ces expériences, ", a déclaré Febbraro.

La mesure de référence antérieure de la réaction n'avait mesuré les noyaux qu'au niveau d'énergie le plus bas, ou l'état fondamental. Mais les noyaux vivent aussi à des niveaux d'énergie plus élevés, appelés états excités. Différents niveaux d'énergie affectent la probabilité qu'une réaction prenne un chemin spécifique.

"Nous avons considérablement amélioré la précision et l'exactitude des mesures en utilisant une configuration sensible à un spectre d'énergies neutroniques, ", a déclaré Febbraro.

La communauté scientifique mondiale utilise des bases de données nucléaires évaluées contenant des mesures de référence évaluées par des pairs. Pour estimer les antécédents de KamLAND, Les physiciens de KamLAND ont extrait la mesure de référence de 2005 générée par les physiciens nucléaires de l'une de ces bases de données, la bibliothèque japonaise de données nucléaires évaluées. Ils ont supposé que la mesure était correcte et l'ont intégrée à leurs calculs.

"L'hypothèse selon laquelle les états excités n'ont pas d'importance n'est pas vraie, " a déclaré Febbraro. " Y compris les états excités ne change pas seulement la taille de l'arrière-plan qu'il provoque dans KamLAND, mais a également un impact sur plusieurs aspects du signal des neutrinos."

la physicienne de l'ORNL Kelly Chipps, qui a aidé à analyser les données et à interpréter les résultats avec son collègue de l'ORNL Michael Smith, D'accord.

« Le contexte est quelque chose que vous devez comprendre précisément, " dit-elle. " Sinon, le nombre d'événements réels que vous avez vus pourrait être complètement faux."

Demander un grand, détecteur de neutrinos rempli de scintillateurs pour distinguer l'arrière-plan du signal, c'est comme avoir les yeux bandés, chocolats nourris avec un enrobage rouge ou vert bonbon, et demandé de dire combien de chocolats rouges vous avez mangé.

"Le problème, c'est tous les bonbons ont le même goût, " dit Chipps. " Pour savoir combien de bonbons rouges vous avez mangés, vous comptez le nombre total de bonbons et appelez le fabricant de chocolat pour lui demander combien de bonbons rouges se trouvent généralement dans un sac. »

Tout comme connaître ce rapport vous permettrait de faire une estimation des quantités de bonbons, les informations de référence dans les bases de données nucléaires évaluées permettent aux scientifiques d'estimer le nombre de neutrinos.

"Il s'avère que notre expérience a obtenu une réponse différente de ce que le" fabricant de bonbons "a dit que le rapport devrait être, " Chipps continua. " Ce n'est pas parce que le fabricant voulait donner une mauvaise réponse; c'est parce que leur machine de tri a été programmée avec la mauvaise valeur."

Le nouveau taux de production de neutrons trouvé par Febbraro et ses collègues en physique nucléaire peut désormais être utilisé par les physiciens travaillant sur KamLAND et d'autres expériences de neutrinos basées sur des scintillateurs liquides pour soustraire le bruit de fond avec une meilleure précision et précision.

Depuis cette nouvelle mesure, L'équipe de Febbraro a utilisé le détecteur spécial pour mesurer des réactions similaires. Ils ont trouvé des écarts dans les taux de production de neutrons pour une demi-douzaine d'isotopes. "Les calculs dans cette région de masse ne sont pas très fiables, " il a dit.

Le titre du Lettres d'examen physique le papier est "Nouveau ¹³ C(α, n) ¹⁶ O Cross Section with Implications for Neutrino Mixing and Geoneutrino Measurements." Le développement du détecteur a été soutenu par le DOE Office of Science. La mesure a été effectuée au Laboratoire de science nucléaire de l'Université de Notre Dame, qui est soutenu par la National Science Foundation.