Физики измерили сечение рассеяния нейтрино на атомах аргона
Физики из коллаборации MicroBooNE сообщили об определении зависимости сечения рассеяния нейтрино на атоме аргона от его энергии. Новые данные повысят информативность всех детекторов нейтрино на основе жидкого аргона, включая строящийся детектор DUNE. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
За последние 20 лет наши представление о нейтрино претерпели большие изменения. Сначала мы получили надежные доказательства того, что нейтрино трех разных ароматов могут превращаться друг в друга, следовательно, обладают массой (подробнее об этом читайте в материале «Н значит нейтрино»). Затем стало появляться большое количество новых экспериментальных данных, которые противоречат как недавно устоявшимся нейтринным моделям, так и друг другу.
В качестве одного из выходов из этой ситуации теоретики предложили ввести новый тип нейтрино, названный стерильным из-за его неучастия в любых взаимодействиях, кроме гравитационного и осцилляциях с известными нейтрино. Важными свидетельствами в пользу этой идеи стали эксперименты BEST и MiniBooNE, в которых статистическая значимость аномалии достигла 5σ. Их обоих объединяет не только высокая достоверность результата, но и хорошее согласие со стерильным решением (подробнее об этом можно узнать в материале «Чистая аномалия»).
Впрочем, в эксперименте MiniBooNE была лазейка, которая могла бы объяснить аномалию через альтернативный канал образования сигнала. Для проверки этой гипотезы в Национальной исследовательской лаборатории имени Энрико Ферми, проводившей MiniBooNE, был запущен проект MicroBooNE, чей основной задачей стало отточить технологии детекции нейтрино. В октябре 2021 года физики сообщили о первых результатах, в которых не было обнаружено никаких аномалий, увиденных MiniBooNE, и, следовательно, свидетельств стерильных нейтрино. Тем не менее у физиков с MicroBooNE еще много работы, поскольку их установка — это, по сути, прототип для ныне строящегося большого детектора DUNE, который, как и MicroBooNE, будет использовать жидкий аргон в качестве уловителя нейтрино.
На днях физики из коллаборации MicroBooNE сообщили об очередном шаге в сторону понимания того, как именно работает их детектор. Им удалось измерить энергетическую зависимость сечения рассеяния мюонных нейтрино на аргоне с помощью нового метода реконструкции нейтринных и адронных энергий. В будущем это позволит увеличить точность и достоверность детектора DUNE.
В силу того, что нейтрино крайне редко взаимодействуют с веществом, изучать их напрямую невозможно. Одним из методов их регистрации стало детектирование света, который в черенковском процессе испускают электроны, мюоны и другие заряженные частицы, рожденные при взаимодействии нейтрино с атомом мишени, а также света, который образуется напрямую как продукт серии превращений элементарных частиц. Физики, работающие на детекторе MicroBooNE, с хорошей точностью научились измерять энергии и импульсы электронов и мюонов, однако, одних этих данных недостаточно, чтобы напрямую восстановить энергию нейтрино: часть энергии, необходимой для полного баланса, ускользает с помощью нейтральных адронов, невидимых для детекторов. Закрыть этот пробел призвано тщательное моделирование всех процессов вкупе с обработкой экспериментальных данных.
Исследователи применяли фильтр Винера и технику сингулярного разложения (Singular Value Decomposition, SVD) к данным о 5,3×1019 столкновений протонов мишени с нейтрино. Мишень представляет собой время-проекционную камеру размерами 10,4×2,6×2,3 метров, заполненную 85 тоннами жидкого аргона и снабженную 32 фотоумножителями. В роли источника выступал бустерный синхротрон в Фермилабе, который создавал поток нейтрино, мюонный на 93,6 процента, со средней энергией равной 0,8 гигаэлектронвольт.
Симуляции на основе метода Монте-Карло позволили авторам реконструировать энергию мюонных нейтрино и сопоставить ее с истинной энергией, известной для калиброванного источника. Хорошее согласие между моделированием и исходными параметрами источника позволило, в том числе, и восстановить «потерянную» адронную энергию. Обладая знанием о полном энергетическом балансе, физики рассчитали сечение рассеяния нейтрино на аргоне в зависимости от их энергий. Поскольку эта зависимость носит универсальный характер, она сможет увеличить информативность всех детекторов нейтрино на основе жидкого аргона, в первую очередь, строящегося DUNE.
От редактора
В первом абзаце первоначального варианта новости было сказано про детекторы на основе жидкого азота, хотя далее по тексту речь идет о жидком аргоне. Приносим извинения читателям.
Физики стараются верифицировать свое понимание того, что же именно происходит при детектировании нейтрино, максимально большим количеством методов. Одним из них стало сравнение электронного и нейтринного рассеяний на ядрах.
Марат Хамадеев
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.
