Los físicos que estudian partículas fantasmales llamadas neutrinos de la colaboración internacional MicroBooNE han informado sobre una medición única en su tipo:un conjunto completo de secciones transversales de interacción neutrino-argón dependientes de la energía. Esta medición marca un paso importante hacia el logro de los objetivos científicos de la próxima generación de experimentos con neutrinos, a saber, el Experimento de neutrinos subterráneo profundo (DUNE).

Los neutrinos son pequeñas partículas subatómicas que son famosas por ser escurridizas y tremendamente abundantes. Mientras bombardean sin cesar cada centímetro de la superficie de la Tierra a casi la velocidad de la luz, los neutrinos pueden viajar a través de un año luz de plomo sin perturbar ni un solo átomo. Comprender estas misteriosas partículas podría revelar algunos de los mayores secretos del universo.

El experimento MicroBooNE, ubicado en el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ha estado recopilando datos sobre neutrinos desde 2015, en parte como banco de pruebas para DUNE, que actualmente se encuentra en construcción. Para identificar neutrinos esquivos, ambos experimentos utilizan una cámara de proyección de tiempo de argón líquido de bajo ruido (LArTPC), un detector sofisticado que captura las señales de los neutrinos a medida que las partículas pasan a través del argón líquido helado mantenido a -303 grados Fahrenheit. Los físicos de MicroBooNE han estado refinando las técnicas LArTPC para detectores a gran escala en DUNE.

Ahora, un esfuerzo de equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, en colaboración con investigadores de la Universidad de Yale y la Universidad Estatal de Luisiana, ha refinado aún más esas técnicas midiendo la sección transversal de neutrino-argón. Su trabajo publicado hoy en Physical Review Letters .

"La sección transversal de neutrino-argón representa cómo los núcleos de argón responden a un neutrino incidente, como los del haz de neutrino producido por MicroBooNE o DUNE", dijo el físico de Brookhaven Lab Xin Qian, líder del grupo de física MicroBooNE de Brookhaven. "Nuestro objetivo final es estudiar las propiedades de los neutrinos, pero primero debemos comprender mejor cómo interactúan los neutrinos con el material en un detector, como los átomos de argón".

Una de las propiedades más importantes de los neutrinos que DUNE investigará es cómo las partículas oscilan entre tres "sabores" distintos:neutrino muón, neutrino tau y neutrino electrónico. Los científicos saben que estas oscilaciones dependen de la energía de los neutrinos, entre otros parámetros, pero esa energía es muy difícil de estimar. Las interacciones de los neutrinos no solo son de naturaleza extremadamente compleja, sino que también hay una gran dispersión de energía dentro de cada haz de neutrinos. La determinación de las secciones transversales detalladas dependientes de la energía proporciona a los físicos una información esencial para estudiar las oscilaciones de neutrinos.

"Una vez que conocemos la sección transversal, podemos revertir el cálculo para determinar la energía promedio de los neutrinos, el sabor y las propiedades de oscilación de una gran cantidad de interacciones", dijo el postdoctorado de Brookhaven Lab, Wenqiang Gu, quien dirigió el análisis físico.

Para lograr esto, el equipo desarrolló una nueva técnica para extraer la sección transversal detallada dependiente de la energía.

"Las técnicas anteriores medían la sección transversal en función de variables que se pueden reconstruir fácilmente", dijo London Cooper-Troendle, estudiante de posgrado de la Universidad de Yale que trabaja en Brookhaven Lab a través del Programa de Investigación de Estudiantes de Posgrado del DOE. "Por ejemplo, si estás estudiando un neutrino muón, generalmente ves un muón cargado saliendo de la interacción de partículas, y este muón cargado tiene propiedades bien definidas como su ángulo y energía. Entonces, uno puede medir la sección transversal como función del ángulo o la energía del muón. Pero sin un modelo que pueda explicar con precisión la "energía faltante", un término que usamos para describir la energía adicional en las interacciones de los neutrinos que no se puede atribuir a las variables reconstruidas, esta técnica requeriría experimentos actuar de forma conservadora".

El equipo de investigación dirigido por Brookhaven buscó validar el proceso de reconstrucción de energía de neutrinos con una precisión sin precedentes, mejorando el modelado teórico de las interacciones de neutrinos según sea necesario para DUNE. To do so, the team applied their expertise and lessons learned from previous work on the MicroBooNE experiment, such as their efforts in reconstructing interactions with different neutrino flavors.

"We added a new constraint to significantly improve the mathematical modeling of neutrino energy reconstruction," said Louisiana State University assistant professor Hanyu Wei, previously a Goldhaber fellow at Brookhaven.

The team validated this newly constrained model against experimental data to produce the first detailed energy-dependent neutrino-argon cross section measurement.

"The neutrino-argon cross section results from this analysis are able to distinguish between different theoretical models for the first time," Gu said.

While physicists expect DUNE to produce enhanced measurements of the cross section, the methods developed by the MicroBooNE collaboration provide a foundation for future analyses.  The current cross section measurement is already set to guide additional developments on theoretical models.

In the meantime, the MicroBooNE team will focus on further enhancing its measurement of the cross section. The current measurement was done in one dimension, but future research will tackle the value in multiple dimensions—that is, as a function of multiple variables—and explore more avenues of underlying physics. + Explora más

Spotting accelerator-produced neutrinos in a cosmic haystack