Liderado pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, um novo estudo esclarece uma discrepância em relação ao maior contribuinte de sinais de fundo indesejados em detectores especializados de neutrinos. Uma melhor caracterização do fundo pode melhorar os experimentos atuais e futuros para detectar sinais reais desses fracamente interagindo, partículas subatômicas eletricamente neutras e compreender seu papel no universo.

"Identificamos uma reação com discrepâncias significativas entre nossa nova medição e os dados históricos, "disse Michael Febbraro do ORNL, autor principal de um estudo publicado em Cartas de revisão física que apresenta uma medição melhorada da reação. "É uma das reações mais antigas já estudadas, e ainda estamos descobrindo coisas novas sobre isso. "

Uma medição mais antiga de 2005, que tinha sido usado como um padrão de referência, foi analisado incorretamente. Ele considerou apenas o estado fundamental das partículas, em vez de um espectro de estados fundamental e excitado. A nova medição, tomadas usando uma matriz de detector com base em espectroscopia de nêutrons e raios gama secundários, considerado todo o espectro de energias das partículas.

Febbraro, que concebeu o experimento e construiu os detectores, realizou a medição com Richard deBoer da University of Notre Dame e Steven Pain do ORNL. Outros co-autores representam a Universidade de Surrey; Universidade de Michigan, Ann Arbor; Universidade do Tennessee, Knoxville; e a Rutgers University.

Esses físicos nucleares não se propuseram a estudar as propriedades dos neutrinos; geralmente estão preocupados com os núcleos atômicos e suas interações. Mas na ciência, descobertas em uma área geralmente têm impactos profundos em outras áreas.

Uma reação nuclear bem conhecida transforma o carbono-13 em oxigênio-16 e um nêutron. Essa mesma reação é um grande contribuinte para os antecedentes em experimentos que medem neutrinos, se são emitidos do sol, atmosfera, aceleradores, reatores nucleares ou o núcleo da Terra.

A taxa dessa reação precisa ser bem conhecida para calcular com precisão o fundo em detectores como o detector de antineutrino cintilador líquido Kamioka do Japão, ou KamLAND. Usando um acelerador da Universidade de Notre Dame, os pesquisadores dispararam uma partícula alfa (ou seja, núcleo de hélio-4) em um alvo de carbono-13, formando brevemente o oxigênio-17, que decaiu em oxigênio-16 e um nêutron. Os pesquisadores mediram a "seção transversal, "ou probabilidade de ocorrer uma reação, que é proporcional à taxa de produção de nêutrons.

"Descobrimos que o conjunto de dados mundiais atual está um pouco incorreto, porque eles não levaram em consideração outros canais de reação que se ativam, ", Disse Febbraro." Temos um tipo especial de detector que pode dizer qual é a energia dos nêutrons, e essa foi a principal tecnologia capacitadora que tornou essa medição possível. "

Os detectores de neutrino precisam ser grandes para aumentar os sinais fracos. KamLAND é preenchido com um cintilador à base de hidrocarbonetos, um óleo que interage com neutrinos e emite luz. Essas faíscas tornam mais fácil localizar e contar os indescritíveis neutrinos. Contudo, os produtos da decomposição do radônio, um gás radioativo de ocorrência natural, combinar com carbono-13, um isótopo raro de carbono presente no cintilador, criando o oxigênio-16 e nêutrons que imitam sinais de neutrinos.

KamLAND pesa aproximadamente mil toneladas. Então, enquanto o carbono-13 responde por apenas 1,1% de todo o carbono, KamLAND contém 10 toneladas. O radônio que entra no detector decai em elementos filhos com energias diferentes. As partículas alfa produzidas por esses decaimentos interagem com o carbono-13, criando um fundo que supera o sinal do neutrino. "É a principal fonte de conhecimento desses experimentos, "Disse Febbraro.

A medição de referência anterior da reação tinha núcleos medidos apenas no nível de energia mais baixo, ou estado fundamental. Mas os núcleos também vivem em níveis de energia mais elevados, chamados de estados excitados. Diferentes níveis de energia afetam a probabilidade de uma reação seguir um caminho específico.

"Melhoramos muito a precisão e exatidão das medições, utilizando uma configuração que é sensível a um espectro de energias de nêutrons, "Febbraro disse.

A comunidade científica global faz uso de bancos de dados nucleares avaliados contendo dados gerados por especialistas, medições de referência revisadas por pares. Para estimar o histórico de KamLAND, Os físicos de KamLAND extraíram a medição de referência de 2005 gerada por físicos nucleares de um desses bancos de dados, a Biblioteca Japonesa de Dados Nucleares Avaliados. Eles presumiram que a medição estava correta e a inseriram em seus cálculos.

"A suposição de que os estados excitados não importam não é verdade, "Febbraro disse." Incluir os estados de excitação muda não apenas o tamanho do pano de fundo que causa em KamLAND, mas também impacta vários aspectos do sinal de neutrino. "

A física do ORNL Kelly Chipps, que ajudou a analisar os dados e interpretar os resultados com seu colega do ORNL Michael Smith, concordou.

"O histórico é algo que você precisa entender com precisão, "disse ela." Caso contrário, o número de eventos reais que você viu pode estar completamente errado. "

Pedindo um grande, detector de neutrino cheio de cintilador para distinguir o fundo do sinal é como estar com os olhos vendados, alimentados com chocolates com cobertura de doce vermelha ou verde, e pediu para dizer quantos chocolates vermelhos você comeu.

"O problema é, todos os doces têm o mesmo gosto, "disse Chipps." Para descobrir quantos doces vermelhos você comeu, você contaria o número total de balas e ligaria para o fabricante de chocolate para perguntar quantas balas vermelhas geralmente tem em uma sacola. "

Assim como saber essa proporção permitiria fazer uma estimativa sobre as quantidades de doces, as informações de referência em bancos de dados nucleares avaliados permitem aos cientistas estimar os números de neutrinos.

"Acontece que nosso experimento obteve uma resposta diferente daquela que o 'fabricante de doces' disse que a proporção deveria ser, "Chipps continuou." Isso não é porque o fabricante pretendia dar uma resposta errada; é porque a máquina de classificação foi programada com o valor errado. "

A nova taxa de produção de nêutrons encontrada por Febbraro e seus colegas de física nuclear agora pode ser usada pelos físicos trabalhando em KamLAND e outros experimentos de neutrino baseados em cintilador líquido para subtrair o fundo com melhor exatidão e precisão.

Desde esta nova medição, A equipe de Febbraro empregou o detector especial para medir reações semelhantes. Eles encontraram discrepâncias nas taxas de produção de nêutrons para meia dúzia de isótopos. "Os cálculos nesta região de massa não são muito confiáveis, " ele disse.

O título do Cartas de revisão física papel é "novo ¹³ C (α, n) ¹⁶ O Seção Transversal com Implicações para a Mistura de Neutrinos e Medições de Geoneutrino. "O desenvolvimento do detector foi apoiado pelo DOE Office of Science. A medição foi feita no Laboratório de Ciências Nucleares da Universidade de Notre Dame, que é apoiado pela National Science Foundation.