Colaborarea MicroBooNE a reușit să obțină un rezultat foarte important în studiul neutrinilor: caracterizarea modului în care aceștia interacționează în argon în funcție de energie. Este un rezultat important – care va fi folosit în viitorul experiment DUNE spre descifrarea misterului acestor fantomatice particule.

Neutrinii sunt particule care fac parte din familia leptonilor din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Există trei tipuri de neutrini: neutrinii electronici, cei muonici și cei tauonici.

Neutrinii

Neutrinii iau parte doar la interacțiunea nucleară slabă – ceea ce face astfel încât interacțiunea lor cu materia să fie – așa cum îi spune și numele – extrem de slabă. Neutrinii pot traversa întreaga planetă fără să interacționeze cu materia pe care o întâlnesc; din acest motiv studiul lor este extrem de dificil. Avem nevoie de fluxuri mari de neutrini dar și de detectoare cu masă și volum cât mai mari.

Oscilația neutrinilor

Multă vreme s-a crezut că neutrinii nu au masă, fiind oarecum energie pură – la fel că și fotonii. Un fenomen observat cu ceva vreme în urmă ne-a făcut însă să ne schimbăm ideea. Este vorba despre oscilația neutrinilor. Adică neutrini care pornesc de la o sursă (de exemplu de la Soare – care emite foarte mulți neutrini ce sunt produși în interacțiunile nucleare care au loc în inima astrului)  ca neutrini de un anumit tip ajung la detector că fiind neutrini de alt tip.

De exemplu dacă de la Soare pleacă neutrini electronici, o parte dintre aceștia se transformă în neutrini muonici (sau de tip tau). Probabilitatea de a oscila depinde de energia neutrinilor și de distanță. În plus este un fenomen cuantic care are loc doar dacă neutrinii au masă. Nu știm însă cât este aceasta – întrucât este extrem de mică și este foarte dificil să o măsurăm. Experimentele din trecut, prezent și viitor măsoară neutrinii cu precizie din ce în ce mai mare – cu obiectivul de a reuși în sfârșit să măsoare masa acestora precum și alte proprietăți ale acestor fantomatice particule.

 MicroBooNE și neutrinii

În acest context un rezultat recent obținut de experimentul MicroBooNE de la Fermi Național Accelerator Laboratory în Statele Unite și publicat în Phys. Rev. Letters este extrem de interesant și important. Colaborarea MicroBooNE a reușit să caracterizeze modul în care neutrinii muonici interacționează în argon lichid (din care era făcut detectorul) în funcție de energia acestora. Este vorba despre neutrini muonici care sunt măsurați în urma interacțiunii în argon din care rezultă un muon (și alte particule). Practic, a fost măsurată secțiunea eficace de interacțiune a neutrinilor în argon în funcție de energie. Precizia acestor calcule este cea mai mare până în prezent.

DUNE

Acest rezultat este important, întrucât va fi la baza noului experiment care va studia neutrinii și oscilația acestora cu o precizie extremă. DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) va măsura atât neutrinii cât și antineutrinii muonici – oscilația acestora. Unul dintre obiective este cel de a observa eventuale diferențe între comportamentul neutrinilor și cel al antineutrinilor – ceea ce ne-ar ajuta să înțelegem mai bine misterul dispariției antimateriei din Univers. DUNE va folosi tot detectoare de argon lichid, și, în plus, va trimite neutrinii de la Fermilab circa 1300 km pe sub pământ în Sud Dakota unde detectoare instalate într-un laborator subteran îi vor măsură (și vor observa câți oscilează).

Ce ne așteptăm?

Ce ne așteptăm? În primul rând în viitor ne așteptăm să reușim să aflăm cât de mică este masa neutrinilor – deci o măsurătoare și nu doar limite. Pe urmă am dori să știm dacă neutrinii și antineutrinii sunt una și aceeași particula sau, dimpotrivă, particule diferite. Aceste răspunsuri sunt foarte importante atât pentru fizică particulelor cât și pentru cosmologie – ținând cont că Universul este plin de neutrini!

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro