Wissenschaftler bezeichnen das Neutrino oft als „Geisterteilchen“.“ Neutrinos waren eines der am häufigsten vorkommenden Teilchen am Ursprung des Universums und sind es auch heute noch. Fusionsreaktionen in der Sonne produzieren riesige Armeen von ihnen, die jeden Tag auf die Erde strömen. Billionen gehen jede Sekunde durch unseren Körper und fliegen dann durch die Erde, als wäre sie nicht da.“Während Neutrinos vor fast einem Jahrhundert erstmals postuliert und vor 65 Jahren erstmals entdeckt wurden, bleiben sie wegen ihrer Zurückhaltung, mit Materie zu interagieren, geheimnisvoll“, sagte Alessandro Lovato, ein Kernphysiker am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).Lovato ist Mitglied eines Forschungsteams aus vier nationalen Laboratorien, das ein Modell konstruiert hat, um eines der vielen Rätsel um Neutrinos zu lösen — wie sie mit Atomkernen interagieren, komplizierten Systemen aus Protonen und Neutronen („Nukleonen“), die durch die starke Kraft miteinander verbunden sind. Dieses Wissen ist wichtig, um ein noch größeres Rätsel zu lösen — warum sich Neutrinos während ihrer Reise durch Raum oder Materie auf magische Weise von einem in einen anderen von drei möglichen Typen oder „Aromen“ verwandeln.“Um diese Schwingungen zu untersuchen, wurden am Fermi National Accelerator Laboratory des DOE zwei Versuchsreihen (MiniBooNE und NOvA) durchgeführt. In diesen Experimenten erzeugen Wissenschaftler einen intensiven Strom von Neutrinos in einem Teilchenbeschleuniger und senden sie dann über einen langen Zeitraum (MiniBooNE) oder fünfhundert Meilen von der Quelle (NOvA) in Teilchendetektoren.

Die Experimentatoren kennen die ursprüngliche Verteilung der Neutrinoaromen und sammeln dann Daten zu den Wechselwirkungen der Neutrinos mit den Atomkernen in den Detektoren. Aus diesen Informationen können sie Änderungen der Neutrinoaromen über Zeit oder Entfernung berechnen. Bei den MiniBooNE- und NOvA-Detektoren stammen die Kerne aus dem Isotop Kohlenstoff-12, das sechs Protonen und sechs Neutronen aufweist.“Unser Team kam ins Spiel, weil diese Experimente ein sehr genaues Modell der Wechselwirkungen von Neutrinos mit den Detektorkernen über einen großen Energiebereich erfordern“, sagte Noemi Rocco, Postdoc in Argonnes Physikabteilung und Fermilab. Angesichts der Flüchtigkeit von Neutrinos ist eine umfassende Beschreibung dieser Reaktionen eine große Herausforderung.

Das kernphysikalische Modell des Teams von Neutrino-Wechselwirkungen mit einem einzelnen Nukleon und einem Paar von ihnen ist das bisher genaueste. „Unsere ist der erste Ansatz, um diese Wechselwirkungen auf einer solchen mikroskopischen Ebene zu modellieren“, sagte Rocco. „Frühere Ansätze waren nicht so feinkörnig.“Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Teams, basierend auf Berechnungen, die auf dem inzwischen pensionierten Mira-Supercomputer an der Argonne National Computing Facility (ALCF) durchgeführt wurden, war, dass die Nukleonenpaarwechselwirkung entscheidend ist, um Neutrino-Wechselwirkungen mit Kernen genau zu modellieren. Das ALCF ist eine DOE Office of Science User Facility.“Je größer die Kerne im Detektor sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Neutrinos mit ihnen interagieren“, sagte Lovato. „In Zukunft planen wir, unser Modell auf Daten von größeren Kernen, nämlich denen von Sauerstoff und Argon, auszudehnen, um Experimente zu unterstützen, die in Japan und den USA geplant sind.“Rocco fügte hinzu: „Für diese Berechnungen werden wir uns auf noch leistungsfähigere ALCF-Computer, das bestehende Theta-System und die kommende Exascale-Maschine Aurora verlassen.“

Die Wissenschaftler hoffen, dass sich letztendlich ein vollständiges Bild der Geschmacksoszillationen sowohl für Neutrinos als auch für ihre Antiteilchen ergeben wird, die als „Antineutrinos “ bezeichnet werden.“ Dieses Wissen könnte Aufschluss darüber geben, warum das Universum aus Materie statt aus Antimaterie aufgebaut ist — eine der grundlegenden Fragen über das Universum.Der Artikel mit dem Titel „Ab Initio Study of (νℓ,ℓ−) and (νℓ,ℓ+) Inclusive Scattering in C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data“ wurde in Physical Review X veröffentlicht. Zu den Autoren gehören neben Rocco und Lovato J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory) und R. Schiavilla (Old Dominion University / Jefferson Lab).