从过去爆炸:重新分析MiniBooNE探测器的数据

2019-06-18 17:15:42

通过分析八年前收集的数据,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室的科学家们已经发现了一个潜在的突破性发现。

2002年,科学家在Fermilab开始了Booster Neutrino实验,称为MiniBooNE,以更多地了解中微子 - 非常轻,中性的基本粒子 - 如何与物质相互作用。科学家最近重新审视了2009年至2011年间进行的实验数据,他们发现了第一个直接证据表明单能中微子或具有一定能量的中微子能够产生μ子能量。

中微子非常轻,只受弱亚原子力的影响,所以它们很少与物质相互作用。事实上,他们可以在与之相互作用之前经过光年。颗粒很难检测,但不难创造。由于中微子的难以捉摸,科学家们不得不使用由大量粒子组成的光束。他们将光束射向探测器中的原子核,希望中微子与目标物质发生碰撞。

“使用这些大光束的一个复杂因素是中微子的能量变化很大,而且有些不可预测,”Argonne物理学家乔·格兰奇说,他是帮助发现单能中微子的科学家之一。“这使得完全解释数据变得困难。”

新发现可以帮助实验者解决这个问题。科学家们意识到,在费米实验室附近的中微子束线上释放出单能中微子,他们决定查看MiniBooNE数据,看看在这个实验过程中是否有任何中微子被检测到。

果然,对MiniBooNE数据的分析显示了数千个中微子核碰撞的证据,其中中微子都以相同的能量开始,即236兆电子伏特(MeV)。在MiniBooNE实验期间,在另一个实验的质子吸收器中产生的称为kaons的粒子衰变成称为μ子和μ子中微子的粒子。μ子中微子随后前往MiniBooNE探测器。因为当它们腐烂时,它们处于静止状态,并且因为它们仅腐烂成两个颗粒,所以中微子在与MiniBooNE探测器中的原子核碰撞之前都具有相同的起始能量。

Kaon的衰变是众所周知的反应。“通过这一发现,我们可以提高我们对中微子如何与物质相互作用的理解,并计划未来的实验,这些实验可以利用这种相互作用来寻找新的物理过程,”格兰奇说。引导这种衰变作为实验中微子的来源将消除中微子能量的不确定性,使分析更简单,并且可能更具启发性。

除了激发未来的实验设置外,这些数据还有助于科学家了解中微子轰击时核的行为,并可帮助他们改进相互作用的模型。当μ子中微子与探测器中的核碰撞时,可以弹出具有一系列不同能量之一的μ子。正是科学家在这项研究中直接观察到的这种新的μ子能量谱,它说明了中微子在接触时将能量传递到核子的方式。

“已经做了很多工作,在原子核中发射电子并观察它们的电磁行为,”格兰奇说。“但由于中微子的使用难度很大,因此看到中微子如何弱相互作用的工作做得不多。”

这一发现的实验方面也可以帮助科学家寻找理论化的无菌中微子,这是一种只通过引力而不是弱力相互作用的中微子。20世纪90年代中期在DOE的洛斯阿拉莫斯国家实验室进行的实验产生的中微子数据与欧洲实验室CERN的单独实验数据不相容,这种差异可能是由于这种“鬼”粒子的存在所致。

MiniBooNE实验的最初目标是确认或驳斥无菌中微子的存在。虽然实验可能最终没有结果,但从数据深度的新发现可以帮助未来的实验家检测它们的存在。科学家们已经在开展实验,利用这种特殊的kaon衰变中的中微子来寻找无菌的中微子。

“这是一个很好的故事,关于在我们意识到数据中存在重要信息之前差不多五年了,”格兰奇说。“故事的寓意是保留所有数据,并继续思考那些尚未提取的其他信息。”

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