مهدت الإلكترونات الطريق لتجارب النيوترينو

يمكن أن تكون النيوترينوات هي المفتاح لحل لغز أصل كوننا الخاضع لسيطرة المواد ، وتجري الاستعدادات لإجراء تجارب بملياري دولار لكشف أسرار الجسيمات. الآن ، تحول فريق من علماء الفيزياء النووية إلى الإلكترون المتواضع لتقديم نظرة ثاقبة حول كيفية إعداد هذه التجارب بشكل أفضل لالتقاط المعلومات المهمة. نُشر مؤخرًا بحثهم ، الذي تم إجراؤه في مرفق التسريع الوطني توماس جيفرسون التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. طبيعي >> صفة، يكشف أن التجارب تتطلب ترقيات كبيرة لنماذج النيوترينو لتحقيق نتائج عالية الدقة.

توجد النيوترينوات في كل مكان ، وتنتجها النجوم بأعداد كبيرة في جميع أنحاء الكون. على الرغم من انتشارها ، إلا أن هذه الجسيمات الخجولة نادرًا ما تتفاعل مع المادة ، مما يجعل قراءتها صعبة للغاية.

هناك ظاهرة تغير النيوترينوات من نوع إلى آخر ، وتسمى هذه الظاهرة. تذبذب النيوترينو. قالت ماريانا كاتشاتريان ، الأستاذة في جامعة أولد دومينيون وطالبة الدراسات العليا في فريق أبحاث لاري وينشتاين ، “هذا الحدث ممتع للقراءة لأنه غير مفهوم جيدًا”. وهي الآن زميلة أبحاث بعد التخرج في جامعة فلوريدا الدولية.

تتمثل إحدى طرق استكشاف اهتزازات النيوترينو في إنشاء الموجات فوق الصوتية العملاقة.مخترعي الحساسية لقياس النيوترينوات تحت الأرض. عادةً ما تحتوي أجهزة الكشف على مادة كثيفة ذات نوى كبيرة ، لذلك من المرجح أن تتفاعل النيوترينوات معها. تؤدي هذه التفاعلات إلى ظهور طبقة من الجسيمات الأخرى التي سجلتها أجهزة الكشف. يمكن للفيزيائيين استخدام هذه البيانات لاستثارة المعلومات حول النيوترينوات.

“الطريقة التي يقوم بها فيزيائيو النيوترينو هي قياس كل الجسيمات التي تخرج مع نوى النيوترينوات وإعادة بناء النيوترينو الوارد. طاقة وقال عدي أشكنازي ، الذي عمل كعالم أبحاث في معهد ماساتشوستس لفريق أبحاث البروفيسور هينز “لقياس النيوترينوات وتذبذباتها ودقتها بدقة شديدة”.

قال أشكنازي: “تتكون الكاشفات من نوى أثقل ، وتفاعلات النيوترينوات مع هذه النوى هي في الواقع تفاعلات معقدة للغاية”. “لا تزال أساليب إعادة بناء طاقة النيوترينو هذه صعبة للغاية ، ومن واجبنا تحسين النماذج التي نستخدمها لتوضيحها.”

تتضمن هذه الطرق نمذجة العلاقات مع محاكاة نظرية تسمى GENIE ، والتي تسمح للفيزيائيين بالتنبؤ بطاقات النيوترينوات الواردة. تُعد GENIE مزيجًا من عدة نماذج ، كل منها يسمح للفيزيائيين بإعادة إنشاء جوانب معينة من التفاعلات بين النيوترينوات والنوى. نظرًا لأنه لا يُعرف سوى القليل عن النيوترينوات ، فمن الصعب اختبار GENIE مباشرةً وضمان نتائج دقيقة وعالية الدقة من البيانات الجديدة. تجربة النيوترينو العميق تحت الأرض (DUNE) أو فرط حجاب.

لاختبار GENIE ، لجأ الفريق إلى جسيم متواضع معروف لمعظم الفيزيائيين النوويين: الإلكترون.

“لقد علمنا بذلك ببساطة في ذلك الوقت الإلكترونات والنيوترينوات. نحن نستخدم مجسات الإلكترون للتحقق من أنماط التفاعل بين النيوترينو والنواة “، قال كاتشاتريان.

هناك العديد من الأشياء المشتركة بين النيوترينوات والإلكترونات. كلاهما ينتميان إلى عائلة الجسيمات دون الذرية التي تسمى اللبتونات ، لذلك كلاهما جسيمات أولية لا تتأثر بالقوة الشديدة.

في هذه الدراسة ، استخدم الفريق نسخة التشتت الإلكتروني من GENIE لاختبار نفس خوارزميات إعادة بناء الطاقة الواردة التي استخدمها باحثو النيوترينو ، والتي تسمى e-GENIE. بدلاً من استخدام النيوترينوات ، استخدموا أحدث نتائج الإلكترون.

قال أشكنازي: “تمت دراسة الإلكترونات لسنوات عديدة ، ولحزم الإلكترونات طاقات دقيقة جدًا”. “نحن نعرف طاقاتهم. عندما نحاول إعادة بناء تلك الطاقة الواردة ، يمكننا مقارنتها بما نعرفه بالفعل. يمكننا اختبار مدى جودة عمل أنظمتنا مع الطاقات المختلفة التي لا يمكنك القيام بها مع النيوترينوات.”

جاءت بيانات الإدخال للدراسة من التجارب التي أجريت كاشف CLAS مرفق معمل جيفرسون لشعاع الإلكترون المستمر ، مرفق مستخدم وزارة الطاقة. CEBAF هو مسرّع الإلكترون المعقد في العالم لاستكشاف طبيعة المادة. استخدم الفريق البيانات التي تعكس بشكل مباشر المادة البسيطة التي يجب دراستها في تجارب النيوترينو: التفاعلات التي تتكون منها الإلكترونات والبروتونات (على عكس من مون وبروتون) من ذرات الهيليوم والكربون والحديد. تشبه هذه النوى المواد المستخدمة في مخترعي النيوترينو التجريبي.

علاوة على ذلك ، عمل الفريق على التأكد من أن النسخة الإلكترونية من GENIE كانت أقرب ما يمكن إلى نسخة النيوترينو.

أوضح أفروديت بابادوبولو ، مؤلف مشارك في الدراسة وطالب دراسات عليا في معهد هينين للأبحاث: “لقد استخدمنا نفس المحاكاة مثل تجارب النيوترينو ، واستخدمنا نفس التصحيحات”. “إذا لم يعمل النموذج مع الإلكترونات ، فإننا نتحدث عن حالة بسيطة جدًا ، ولن تعمل أبدًا. نيوترينوات. “

حتى في هذه الحالة البسيطة ، فإن النمذجة الدقيقة مهمة لأن بيانات المصدر من تفاعلات نواة الإلكترون يتم إعادة تكوينها عمومًا إلى أقل من نصف الوقت للحصول على طاقة دقيقة لحزمة الإلكترون الواردة. يمكن للنموذج الجيد حساب هذا التأثير وضبط البيانات.

ومع ذلك ، عندما تم استخدام GENIE لنمذجة أحداث البيانات هذه ، كان أداؤها أسوأ.

قال بابادوبولو: “يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحريف نتائج تذبذب النيوترينو. قبل أن نتأكد من أن تجارب النيوترينو دقيقة ، يمكن أن تعيد عمليات المحاكاة الخاصة بنا إنشاء بيانات الإلكترون باستخدام طاقات الحزمة المعروفة”.

وافق كاتشاتريان.

قال كاتشاتريان: “النتيجة هي الإشارة إلى ميزات أساليب إعادة بناء الطاقة هذه والنماذج التي تحتاج إلى تحسين”. كما يوضح السبيل لتحقيق ذلك في التجارب المستقبلية.

الخطوة التالية في هذا البحث هي الاختبار الشامل لنوى مستهدفة محددة وطاقات الإلكترون الواردة التي تهم باحثي النيوترينو. ستسمح المقارنة المباشرة لهذه النتائج المحددة لباحثي النيوترينو بضبط نماذجهم بدقة.

وفقًا لمجموعة الدراسة ، الهدف هو تحقيق اتفاق أوسع بين البيانات والنماذج ، مما سيساعد DUNE و Hyper-Kamiokande على تحقيق النتائج عالية الدقة المتوقعة.