naukowcy często nazywają neutrino „cząstką duchową.”Neutrina były jedną z najliczniejszych cząsteczek w początkach wszechświata i pozostają nimi do dziś. Reakcje termojądrowe na słońcu wytwarzają ich ogromne armie, które każdego dnia wylewają się na Ziemię. Tryliony przechodzą przez nasze ciała co sekundę, a następnie przelatują przez Ziemię, jakby jej tam nie było.

„choć po raz pierwszy postulowano je prawie sto lat temu i po raz pierwszy wykryto 65 lat temu, neutrina pozostają owiane tajemnicą z powodu niechęci do interakcji z materią”, powiedział Alessandro Lovato, fizyk jądrowy z Narodowego Laboratorium Departamentu Energii (Doe) w Argonne.

Lovato jest członkiem zespołu badawczego z czterech krajowych laboratoriów, który skonstruował model, aby rozwiązać jedną z wielu zagadek dotyczących neutrin—jak oddziałują one z jądrami atomowymi, skomplikowanymi układami złożonymi z protonów i neutronów („nukleonów”) połączonych ze sobą silną siłą. Wiedza ta jest niezbędna do rozwikłania jeszcze większej tajemnicy-dlaczego podczas podróży przez przestrzeń lub materię neutrina magicznie przekształcają się z jednego do drugiego w trzy możliwe rodzaje lub „smaki”.”

aby zbadać te oscylacje, przeprowadzono dwa zestawy eksperymentów w Fermi National Accelerator Laboratory (MiniBooNE i NOvA). Podczas tych eksperymentów naukowcy generują intensywny strumień neutrin w akceleratorze cząstek, a następnie wysyłają je do detektorów cząstek w długim okresie czasu (MiniBooNE) lub pięćset mil od źródła (NOvA).

znając pierwotny rozkład smaków neutrin, eksperymentatorzy zbierają następnie dane dotyczące interakcji neutrin z jądrami atomowymi w detektorach. Na podstawie tych informacji mogą obliczyć wszelkie zmiany smaków neutrin w czasie lub na odległość. W przypadku detektorów MiniBooNE i NOvA jądra pochodzą z izotopu węgla-12, który ma sześć protonów i sześć neutronów.

„Nasz zespół pojawił się w obrazie, ponieważ te eksperymenty wymagają bardzo dokładnego modelu interakcji neutrin z jądrami detektora w dużym zakresie energii”, powiedział Noemi Rocco, postdoc w dziale fizyki Argonne i Fermilab. Biorąc pod uwagę nieuchwytność neutrin, osiągnięcie kompleksowego opisu tych reakcji jest ogromnym wyzwaniem.

model fizyki jądrowej zespołu interakcji neutrin z pojedynczym nukleonem i ich parą jest jak dotąd najdokładniejszy. „To pierwsze podejście do modelowania tych interakcji na tak mikroskopijnym poziomie” – powiedział Rocco. „Wcześniejsze podejścia nie były tak drobnoziarniste.”

jednym z ważnych wniosków zespołu, opartym na obliczeniach przeprowadzonych na obecnie emerytowanym superkomputerze Mira w Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), było to, że interakcja par nukleonów ma kluczowe znaczenie dla dokładnego modelowania interakcji neutrin z jądrami. ALCF jest biurem użytkowników Nauki.

„im większe jądra w detektorze, tym większe prawdopodobieństwo, że neutrina wejdą z nimi w interakcję” – powiedział Lovato. „W przyszłości planujemy rozszerzyć nasz model o dane z większych jąder, a mianowicie jąder tlenu i argonu, w celu wsparcia eksperymentów planowanych w Japonii i USA „

Rocco dodał, że ” do tych obliczeń będziemy polegać na jeszcze mocniejszych komputerach ALCF, istniejącym systemie Theta i nadchodzącej maszynie exascale, Aurorze.”

naukowcy mają nadzieję, że w końcu pojawi się pełny obraz oscylacji smakowych zarówno dla neutrin, jak i ich antycząstek, zwanych „antyneutrinami.”Ta wiedza może rzucić światło na to, dlaczego wszechświat jest zbudowany z materii zamiast antymaterii—jedno z podstawowych pytań o Wszechświat.

artykuł zatytułowany „Ab Initio Study of (νℓ, ℓ−) and (νℓ,ℓ+) Inclusive Scattering in C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data” został opublikowany w Physical Review X. oprócz Rocco i Lovato,autorami są J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory) i R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).