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.

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