Понимание взаимодействия призрачных частиц
Джозеф Э. Хармон, Аргоннская национальная лаборатория
Ученые часто называют нейтрино «частицей-призраком». Нейтрино были одними из самых распространенных частиц при возникновении Вселенной и остаются таковыми сегодня. Реакции термоядерного синтеза на Солнце порождают их огромные армии, которые ежедневно льются на Землю. Триллионы проходят через наши тела каждую секунду, затем проходят через Землю, как будто ее там нет.
«Хотя нейтрино были впервые постулированы почти столетие назад и впервые обнаружены 65 лет назад, они остаются окутанными тайной из-за их нежелания взаимодействовать с материей», - сказал Алессандро Ловато, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
Ловато - член исследовательской группы из четырех национальных лабораторий, которые построили модель, чтобы раскрыть одну из многих загадок нейтрино - как они взаимодействуют с атомными ядрами , сложными системами, состоящими из протонов и нейтронов («нуклонов»), связанных вместе сильным взаимодействием. Эти данные необходимы для разгадки еще большей загадки - почему во время своего путешествия через космос или материю нейтрино волшебным образом превращаются из одного в другой из трех возможных типов или «ароматов».
Для изучения этих колебаний в Национальной лаборатории ускорителей Ферми Министерства энергетики США были проведены две серии экспериментов (MiniBooNE и NOvA). В этих экспериментах ученые генерируют интенсивный поток нейтрино в ускорителе частиц, а затем посылают их в детекторы частиц в течение длительного периода времени (MiniBooNE) или в пятистах милях от источника (NOvA).
Зная первоначальное распределение ароматов нейтрино, экспериментаторы затем собирают данные, связанные с взаимодействиями нейтрино с ядрами атомов в детекторах. На основе этой информации они могут рассчитать любые изменения аромата нейтрино с течением времени или на расстоянии. В случае детекторов MiniBooNE и NOvA ядра происходят из изотопа углерода-12, который имеет шесть протонов и шесть нейтронов.
«Наша команда появилась на свет, потому что для этих экспериментов требуется очень точная модель взаимодействия нейтрино с ядрами детектора в большом диапазоне энергий», - сказала Ноэми Рокко, представитель отделения физики Аргонна и Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми. Учитывая неуловимость нейтрино, полное описание этих реакций является сложной задачей.
Ядерно-физическая модель взаимодействия нейтрино с одним нуклоном и парой из них пока является наиболее точной. Наш подход-первый, который позволяет моделировать эти взаимодействия на таком микроскопическом уровне, - сказал Рокко. - Раньше подходы были не такими тонкими."
Один из важных выводов группы, основанный на расчетах, проведенных на уже выведенном из эксплуатации суперкомпьютере Mira в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), заключался в том, что взаимодействие пар нуклонов имеет решающее значение для точного моделирования взаимодействий нейтрино с ядрами. ALCF - это вычислительный центр, созданный при Министерстве энергетики и промышленности.
«Чем больше ядра в детекторе, тем больше вероятность того, что нейтрино будут взаимодействовать с ними», - сказал Ловато. «В будущем мы планируем расширить нашу модель на данные от более крупных ядер, а именно, ядер кислорода и аргона, в рамках поддержки экспериментов, запланированных в Японии и США".
Рокко добавил, что «для этих расчетов мы будем полагаться на еще более мощные компьютеры ALCF, существующую систему Theta и будущий суперкомпьютер "Аврора".».
Ученые надеются, что в конечном итоге появится полная картина ароматических колебаний как нейтрино, так и их античастиц, называемых «антинейтрино». Эти сведения смогут пролить свет на то, почему Вселенная построена из материи, а не из антивещества - один из фундаментальных вопросов о Вселенной.
The paper, titled "Ab Initio Study of (νℓ,ℓ−) and (ν¯ℓ,ℓ+) Inclusive Scattering in C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data," is published in Physical Review X. Besides Rocco and Lovato, authors include J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory), and R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).
https://phys.org/news/2020-09-ghost-particle-interactions.html