Studii efectuate asupra electronilor sunt folosite pentru a calibra programele ce vor fi folosite în experimentele dificile care studiază neutrinii. Neutrinii sunt cele mai misterioase particule din cadrul Modelului Standard, și la ora actuală, de exemplu, încă nu se cunoaște masa acestor particule.

Fantomaticii neutrini

Neutrinii sunt particule elementare care fac parte din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare; împreună cu electronii (muonii și tauonii) alcătuiesc așa-numitul grup al leptonilor. Există trei tipuri de neutrini: cei electronici, cei muinici și neutrinii tău. Nu au sarcină electrică și interacționează extrem de slab cu materia – doar prin interacțiunea așa-numită nucleară slabă. Din acest motiv neutrinii produși în Soare pot străbate întreaga noastră planetă fără să interacționeze. Neutrinii sunt produși în număr extrem de mare în procesele nucleare care au loc în stele; pe Pământ neutrinii mai sunt produși de exemplu la reactoarele nucleare sau provin din interiorul scoarței terestre în urma proceselor nucleare care au loc acolo. Neutrinii sunt actorii unui proces care se numește oscilația neutrinilor: un proces de natură cuantică în urmă căruia un neutrino de un tip se transformă într-un neutrino de alt tip. De exemplu un neutrino electronic se transformă într-unul muonic. Acest proces poate avea loc doar dacă neutrinii au masă. Masa acestora însă până în prezent nu a putut fi măsurată – s-a reușit doar să se pună limite asupra valorii acesteia.

Cum se studiază neutrinii?

Pentru studiul neutrinilor se folosesc detectoare care au masă extrem de mare: tocmai pentru a se reuși capturarea unor neutrini de-a lungul anilor (experimente de acest tip durează mulți ani de zile) și studiul acestora. Neutrinii – foarte puțini la număr – interacționează cu nucleele din materia din care este făcut detectorul și dau naștere unor reacții nucleare. Se măsoară particulele care rezultă din interacțiune și se reconstruiește energia neutrinului și tipologia acestuia. Experimentele de acest gen sunt extrem de dificile; de cele mai multe ori sunt instalate în laboratoare subterane pentru a se evita radiația cosmică care poate da semnale false. Noi experimente – precum DUNE și  Hyper-Kamiokande – vor studia în anii care vin neutrinii. Pentru a efectua aceste studii sunt necesare programe și coduri de simulare pe calculator ale proceselor care au loc.

GENIE și e-GENIE

Un astfel de program care simulează procesele ce au loc atunci când neutrinii interacționează cu nucleele detectoarelor este GENIE, un program foarte complex care reconstruiește energia neutrinilor din particulele măsurate. Cum putem însă verifică dacă programul funcționează bine? Imposibil cu ajutorul neutrinilor; s-a găsit însă o soluție foarte elegantă, care folosește electronii – e-GENIE. Acest program folosește deci electronii în locul neutrinilor. Avantajul este că programul poate fi verificat experimental, întrucât măsurători cu fascicule de electroni pot fi făcute mult mai ușor. Astfel de măsurători au fost efectuate cu detectorul CLAS la acceleratorul CEBAF în Statale Unite. Au fost studiate interacțiuni ale electronilor cu nuclee de heliu, carbon și fier. Rezultatele studiului au fost publicate recent într-un articol în revista Nature. 

Care sunt rezultatele?

Măsurătorile cu electroni au fost comparate cu rezultatele simulării cu e-GENIE. S-a ajuns la concluzia că energia electronilor în urma interacțiunii cu nucleele studiate în cadrul acestui studiu a fost reconstruită în mod corect în mai puțin de jumătate din evenimentele studiate. Acest lucru înseamnă că modelul GENIE trebuie îmbunătățit. Vor fi efectuate noi studii – inclusiv noi experimente și cu alte nuclee, precum cele care vor fi utilizate în detectoarele de neutrini.

Pe baza acestor studii programul GENIE va fi îmbunătățit  în așteptarea experimentelor care vor studia neutrinii, în speranța de a se reuși să se înțeleagă mai bine aceste particule extrem de dificil de studiat, care însă joacă un rol important în Univers, atât în fizică stelelor cât și în studiul unor modele „dincolo de Modelul Standard”.

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