Secciones transversales de interacciones neutrino-núcleo versus energía. La concordancia mejorada entre el experimento y los cálculos del modelo se muestra claramente para el caso de un par de nucleones en lugar de un solo nucleón. El recuadro muestra un neutrino que interactúa con el núcleo y expulsa un leptón. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Los científicos a menudo se refieren al neutrino como la "partícula fantasma". Los neutrinos eran una de las partículas más abundantes en el origen del universo y lo siguen siendo hoy. Las reacciones de fusión en el sol producen vastos ejércitos de ellos, que se derraman sobre la tierra todos los días. Trillones pasan por nuestros cuerpos cada segundo luego volar a través de la Tierra como si no estuviera allí.
"Si bien se postuló por primera vez hace casi un siglo y se detectó por primera vez hace 65 años, Los neutrinos permanecen envueltos en un misterio debido a su renuencia a interactuar con la materia, "dijo Alessandro Lovato, físico nuclear del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).
Lovato es miembro de un equipo de investigación de cuatro laboratorios nacionales que ha construido un modelo para abordar uno de los muchos misterios sobre los neutrinos:cómo interactúan con los núcleos atómicos, sistemas complicados hechos de protones y neutrones ("nucleones") unidos por la fuerza fuerte. Este conocimiento es esencial para desentrañar un misterio aún mayor:por qué, durante su viaje a través del espacio o la materia, los neutrinos se transforman mágicamente de uno a otro de tres posibles tipos o "sabores".
Para estudiar estas oscilaciones, Se han realizado dos conjuntos de experimentos en el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi del DOE (MiniBooNE y NOvA). En estos experimentos, los científicos generan una intensa corriente de neutrinos en un acelerador de partículas, luego envíelos a detectores de partículas durante un largo período de tiempo (MiniBooNE) o quinientas millas de la fuente (NOvA).
Conociendo la distribución original de los sabores de neutrinos, los experimentadores luego recopilan datos relacionados con las interacciones de los neutrinos con los núcleos atómicos en los detectores. De esa información, pueden calcular cualquier cambio en los sabores de neutrinos a lo largo del tiempo o la distancia. En el caso de los detectores MiniBooNE y NOvA, los núcleos son del isótopo carbono-12, que tiene seis protones y seis neutrones.
“Nuestro equipo entró en escena porque estos experimentos requieren un modelo muy preciso de las interacciones de los neutrinos con los núcleos del detector en un amplio rango de energía, "dijo Noemi Rocco, un postdoctorado en la división de Física de Argonne y Fermilab. Dada la elusividad de los neutrinos, lograr una descripción completa de estas reacciones es un desafío formidable.
El modelo de física nuclear del equipo de interacciones de neutrinos con un solo nucleón y un par de ellos es el más preciso hasta ahora. "El nuestro es el primer enfoque para modelar estas interacciones a un nivel tan microscópico, ", dijo Rocco." Los enfoques anteriores no eran tan finos ".
Uno de los hallazgos importantes del equipo, basado en cálculos realizados en la supercomputadora Mira ahora retirada en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), fue que la interacción del par de nucleones es crucial para modelar las interacciones de los neutrinos con los núcleos con precisión. El ALCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
"Cuanto más grandes sean los núcleos del detector, mayor es la probabilidad de que los neutrinos interactúen con ellos, "dijo Lovato." En el futuro, planeamos extender nuestro modelo a datos de núcleos más grandes, a saber, los de oxígeno y argón, en apoyo de experimentos planeados en Japón y Estados Unidos "
Rocco agregó que "para esos cálculos, confiaremos en computadoras ALCF aún más potentes, el sistema Theta existente y la próxima máquina de exaescala, Aurora."
Los científicos esperan que, finalmente, surgirá una imagen completa de las oscilaciones de sabor tanto para los neutrinos como para sus antipartículas, llamados "antineutrinos". Ese conocimiento puede arrojar luz sobre por qué el universo está construido a partir de materia en lugar de antimateria, una de las preguntas fundamentales sobre el universo.
El papel, titulado "Estudio Ab Initio de (νℓ, ℓ−) y (ν¯ℓ, ℓ +) Dispersión inclusiva en C12:Confrontando los datos CCQE MiniBooNE y T2K, "se publica en Revisión física X . Además de Rocco y Lovato, los autores incluyen J. Carlson (Laboratorio Nacional de Los Alamos), S. Gandolfi (Laboratorio Nacional de Los Alamos), y R. Schiavilla (Old Dominion University / Jefferson Lab).
