Físicos que estudam partículas semelhantes a fantasmas chamadas neutrinos da colaboração internacional MicroBooNE relataram uma medição inédita:um conjunto abrangente de seções transversais de interação neutrino-argônio dependentes de energia. Essa medição marca um passo importante para alcançar os objetivos científicos da próxima geração de experimentos com neutrinos, ou seja, o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).
Os neutrinos são minúsculas partículas subatômicas que são notoriamente elusivas e tremendamente abundantes. Enquanto eles bombardeiam infinitamente cada centímetro da superfície da Terra quase à velocidade da luz, os neutrinos podem viajar por um ano-luz de chumbo sem perturbar um único átomo. Compreender essas partículas misteriosas pode desvendar alguns dos maiores segredos do universo.

O experimento MicroBooNE, localizado no Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA (DOE), vem coletando dados sobre neutrinos desde 2015, parcialmente como um banco de testes para DUNE, que está atualmente em construção. Para identificar neutrinos indescritíveis, ambos os experimentos usam uma câmara de projeção de tempo de argônio líquido de baixo ruído (LArTPC) – um detector sofisticado que captura sinais de neutrinos à medida que as partículas passam pelo argônio líquido gelado mantido a -303 graus Fahrenheit. Os físicos do MicroBooNE têm refinado as técnicas LArTPC para detectores de grande escala em DUNE.

Agora, um esforço de equipe liderado por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Yale e da Universidade Estadual de Louisiana, refinou ainda mais essas técnicas medindo a seção transversal neutrino-argônio. O trabalho deles publicado hoje em Cartas de Revisão Física .

“A seção transversal neutrino-argônio representa como os núcleos de argônio respondem a um neutrino incidente, como aqueles no feixe de neutrinos produzidos por MicroBooNE ou DUNE”, disse o físico do Brookhaven Lab Xin Qian, líder do grupo de física MicroBooNE de Brookhaven. “Nosso objetivo final é estudar as propriedades dos neutrinos, mas primeiro precisamos entender melhor como os neutrinos interagem com o material em um detector, como átomos de argônio”.

Uma das propriedades mais importantes do neutrino que DUNE investigará é como as partículas oscilam entre três "sabores" distintos:neutrino do múon, neutrino do tau e neutrino do elétron. Os cientistas sabem que essas oscilações dependem da energia dos neutrinos, entre outros parâmetros, mas essa energia é muito difícil de estimar. Não apenas as interações de neutrinos são extremamente complexas por natureza, mas também há uma grande propagação de energia dentro de cada feixe de neutrinos. Determinar as seções transversais detalhadas dependentes de energia fornece aos físicos uma informação essencial para estudar as oscilações de neutrinos.

“Uma vez que conhecemos a seção transversal, podemos reverter o cálculo para determinar as propriedades médias de energia, sabor e oscilação de neutrinos de um grande número de interações”, disse o pós-doutorado do Brookhaven Lab, Wenqiang Gu, que liderou a análise física.

Para conseguir isso, a equipe desenvolveu uma nova técnica para extrair a seção transversal dependente de energia detalhada.

"Técnicas anteriores mediam a seção transversal em função de variáveis ​​que são facilmente reconstruídas", disse London Cooper-Troendle, estudante de pós-graduação da Universidade de Yale que trabalha no Brookhaven Lab por meio do Programa de Pesquisa de Estudantes de Pós-Graduação do DOE. "Por exemplo, se você está estudando um neutrino de múon, geralmente vê um múon carregado saindo da interação de partículas, e esse múon carregado tem propriedades bem definidas, como seu ângulo e energia. mas sem um modelo que possa explicar com precisão a 'energia perdida', um termo que usamos para descrever energia adicional nas interações de neutrinos que não podem ser atribuídas às variáveis ​​reconstruídas, essa técnica exigiria experimentos agir de forma conservadora."

A equipe de pesquisa liderada por Brookhaven procurou validar o processo de reconstrução de energia de neutrinos com precisão sem precedentes, melhorando a modelagem teórica das interações de neutrinos conforme necessário para DUNE. Para fazer isso, a equipe aplicou seus conhecimentos e lições aprendidas em trabalhos anteriores no experimento MicroBooNE, como seus esforços na reconstrução de interações com diferentes sabores de neutrinos.

"Adicionamos uma nova restrição para melhorar significativamente a modelagem matemática da reconstrução de energia de neutrinos", disse Hanyu Wei, professor assistente da Universidade Estadual de Louisiana, anteriormente bolsista da Goldhaber em Brookhaven.

The team validated this newly constrained model against experimental data to produce the first detailed energy-dependent neutrino-argon cross section measurement.

"The neutrino-argon cross section results from this analysis are able to distinguish between different theoretical models for the first time," Gu said.

While physicists expect DUNE to produce enhanced measurements of the cross section, the methods developed by the MicroBooNE collaboration provide a foundation for future analyses.  The current cross section measurement is already set to guide additional developments on theoretical models.

In the meantime, the MicroBooNE team will focus on further enhancing its measurement of the cross section. The current measurement was done in one dimension, but future research will tackle the value in multiple dimensions—that is, as a function of multiple variables—and explore more avenues of underlying physics. + Explorar mais

Spotting accelerator-produced neutrinos in a cosmic haystack