Partículas minúsculas conhecidas como neutrinos são uma excelente ferramenta para estudar o funcionamento interno dos núcleos atômicos. Ao contrário de elétrons ou prótons, neutrinos não têm carga elétrica, e eles interagem com o núcleo de um átomo apenas por meio da força nuclear fraca. Isso os torna uma ferramenta única para sondar os blocos de construção da matéria. Mas o desafio é que os neutrinos são difíceis de produzir e detectar, e é muito difícil determinar a energia que um neutrino possui quando atinge um átomo.

Esta semana, um grupo de cientistas trabalhando no experimento MiniBooNE no Fermilab do Departamento de Energia relatou uma descoberta:eles foram capazes de identificar neutrinos de múon de energia exata atingindo os átomos no centro de seu detector de partículas. O resultado elimina uma grande fonte de incerteza ao testar modelos teóricos de interações e oscilações de neutrinos.

"A questão da energia do neutrino é tão importante, "disse Joshua Spitz, Norman M. Leff, professor assistente da Universidade de Michigan e co-líder da equipe que fez a descoberta, junto com Joseph Grange no Argonne National Laboratory. "É extremamente raro saber a energia de um neutrino e quanta energia ele transfere para o átomo-alvo. Para estudos de núcleos baseados em neutrino, esta é a primeira vez que isso foi alcançado. "

Para saber mais sobre núcleos, os físicos atiram partículas nos átomos e medem como eles colidem e se espalham. Se a energia de uma partícula for suficientemente grande, um núcleo atingido pela partícula pode se quebrar e revelar informações sobre as forças subatômicas que unem o núcleo.

Mas para obter as medições mais precisas, os cientistas precisam saber a energia exata da partícula que divide o átomo. Este, Contudo, quase nunca é possível ao fazer experimentos com neutrinos.

Como outros experimentos de neutrino de múon, MiniBooNE usa um feixe que compreende neutrinos de múon com uma gama de energias. Uma vez que os neutrinos não têm carga elétrica, os cientistas não têm nenhum "filtro" que lhes permita selecionar neutrinos com uma energia específica.

Cientistas MiniBooNE, Contudo, descobriu uma maneira inteligente de identificar a energia de um subconjunto de neutrinos do múon que atinge seu detector. Eles perceberam que seu experimento recebe alguns neutrinos do múon que têm a energia exata de 236 milhões de elétronvolts (MeV). Esses neutrinos resultam da decomposição de kaons em repouso a cerca de 86 metros do detector MiniBooNE emergindo do núcleo de alumínio do absorvedor de partículas da linha de luz NuMI, que foi construído para outros experimentos no Fermilab.

Os kaons energéticos decaem em neutrinos do múon com uma variedade de energias. O truque é identificar os neutrinos do múon que emergem da decomposição dos kaons em repouso. A conservação da energia e do momento requer que todos os neutrinos do múon que emergem do decaimento do Kaon em repouso tenham exatamente a energia de 236 MeV.

"Não é sempre na física dos neutrinos que você conhece a energia do neutrino que chega, "disse o co-porta-voz da MiniBooNE, Richard Van De Water, do Laboratório Nacional de Los Alamos." Com a primeira observação feita pela MiniBooNE de neutrinos monoenergéticos do múon por decaimento do kaon, podemos estudar as interações de corrente carregada com uma sonda conhecida que permite aos teóricos melhorar seus modelos de seção transversal. Este é um trabalho importante para os futuros programas de neutrino de linha de base curta e longa no Fermilab. "

Essa análise foi realizada com dados coletados de 2009 a 2011.

"O resultado é notável, "disse Rex Tayloe, co-porta-voz da colaboração MiniBooNE e professor de física na Indiana University Bloomington. "Fomos capazes de extrair este resultado por causa do detector MiniBooNE bem conhecido e nossos estudos anteriores cuidadosos de interações de neutrinos ao longo de 15 anos de coleta de dados."

Spitz e seus colegas já estão trabalhando no próximo resultado de neutrino monoenergético. Um segundo detector de neutrino localizado perto de MiniBooNE, chamado MicroBooNE, também recebe neutrinos de múon do absorvedor NuMI, 102 metros de distância. Como o MicroBooNE usa tecnologia de argônio líquido para registrar as interações de neutrino, Spitz está otimista de que os dados do MicroBooNE fornecerão ainda mais informações.

"O MicroBooNE fornecerá medições mais precisas desse neutrino de energia conhecida, "disse ele." Os resultados serão extremamente valiosos para futuros experimentos de oscilação de neutrinos. "

O resultado do MiniBooNE foi publicado em 6 de abril, 2018, emissão de Cartas de revisão física .