Este display mostra um evento semelhante ao CCQE reconstruído no detector MINERvA. Crédito:MINERvA
Difícil de acreditar que você pode jogar sinuca com neutrinos, mas certos eventos de interação de neutrinos estão mais próximos do jogo do que você pensa.
Nessas interações quase elásticas de corrente carregada - interações CCQE, para resumir - um neutrino atinge uma partícula no núcleo de um átomo - um próton ou um nêutron. Duas partículas emergem da colisão. Um é um muon, um primo mais pesado do elétron. O outro é um próton (se a partícula estacionária for um nêutron) ou um nêutron (se a partícula estacionária for um próton).
As interações de neutrino que resultam dessas reações quase elásticas são como as colisões entre bolas em um jogo de bilhar:você pode adivinhar a energia do neutrino que entra medindo a direção e a energia de apenas uma das partículas que saem, desde que você conheça os tipos de todas as quatro partículas que estiveram na interação em primeiro lugar e a direção original do neutrino.
As interações CCQE são um modo de interação importante de neutrinos em experimentos de oscilação de neutrinos atuais e futuros, como o experimento internacional Deep Underground Neutrino, hospedado pelo Fermilab.
Eles são semelhantes às interações elásticas que todo jogador de sinuca conhece, exceto de uma maneira importante:a força nuclear fraca permite que as partículas mudem de um tipo para outro, daí o nome "quase elástico". Neste jogo de sinuca subatômica, a bola branca (neutrino) atinge uma bola vermelha estacionária (próton), que emerge da colisão como uma bola laranja (nêutron).
Uma vez que a maioria dos experimentos modernos de neutrinos usam alvos feitos de núcleos pesados que variam de carbono a argônio, efeitos nucleares e correlações entre os nêutrons e prótons dentro do núcleo podem causar mudanças significativas nas taxas de interação observadas e modificações na energia do neutrino estimada.
Este gráfico mostra a proporção de seção transversal como uma função de Q2 de dados e várias previsões em relação a um modelo de interação comumente usado. Crédito:MINERvA
No MINERvA, os cientistas identificam as interações do CCQE por uma longa trilha de múon deixada no detector de partículas e, potencialmente, uma ou mais trilhas de prótons. Contudo, esta assinatura experimental pode às vezes ser produzida por interações não-CCQE devido a efeitos nucleares dentro do núcleo alvo. De forma similar, efeitos nucleares também podem modificar as partículas de estado final para fazer um evento CCQE parecer um evento não CCQE e vice-versa.
Uma vez que os efeitos nucleares podem dificultar a identificação de um verdadeiro evento CCQE, O MINERvA relata medições com base nas propriedades das partículas de estado final apenas e as chama de eventos do tipo CCQE (uma vez que eles terão contribuições de eventos CCQE verdadeiros e não CCQE). Um evento semelhante ao CCQE é aquele que tem pelo menos um múon de saída, qualquer número de prótons ou nêutrons, e não há mésons como partículas de estado final. (Mésons, como prótons e nêutrons, são feitos de quarks. Prótons e nêutrons têm três quarks; mesões têm dois.)
O MINERvA mediu a probabilidade de interações de neutrinos do tipo CCQE usando o feixe de neutrinos de média energia do Fermilab, com o fluxo de neutrino chegando a 6 GeV. Em comparação com as medições anteriores do MINERvA, que foram conduzidos com um feixe de baixa energia (fluxo de neutrino de pico de 3 GeV), esta medição tem a vantagem de um alcance de energia mais amplo e estatísticas muito maiores:1, 318, 540 eventos semelhantes ao CCQE em comparação com 109, 275 eventos em corridas anteriores de baixa energia.
MINERvA fez essas medições de probabilidade de interação CCQE em função do quadrado do momento transferido pelo neutrino para o núcleo, que os cientistas denotam como Q2. O gráfico mostra discrepâncias entre os dados e a maioria das previsões nas regiões Q2 baixo e Q2 alto. Ao comparar a medição do MINERvA com vários modelos, os cientistas podem refiná-los e explicar melhor a física dentro do ambiente nuclear.
O MINERvA também fez medições mais detalhadas da probabilidade de interação do neutrino com base no momento do múon que sai. Eles levam em consideração o momento do múon tanto na direção da trajetória do neutrino que se aproxima quanto na direção perpendicular à sua trajetória. Este trabalho ajuda experimentos atuais e futuros com neutrinos a compreender seus próprios dados em uma ampla gama de cinemática múon.
Mateus Carneiro, anteriormente do Centro Brasileiro de Pesquisa em Física e da Universidade Estadual do Oregon e agora no Laboratório Nacional de Brookhaven, e Dan Ruterbories da Universidade de Rochester foram os principais motivadores desta análise. Os resultados foram publicados em Cartas de revisão física .
