Jaderní fyzici zlepšují přesnost výzkumu neutrin

Na University of Notre Dame měřila část Deuterovaného spektroskopického pole Oak Ridge odezvu, která způsobuje šum v některých neutrinových detektorech. Fotografický kredit: Michael Febbraro / ORNL, americké ministerstvo energetiky

Nová studie, vedená národní laboratoří Oak Ridge v Department of Energy, řeší nesrovnalosti ohledně největšího podílu nežádoucích signálů na pozadí ve specializovaných detektorech neutrin. Lepší charakterizace pozadí by mohla zlepšit současné i budoucí experimenty k zachycení reálných signálů z těchto slabě interagujících, elektricky neutrálních subatomárních částic a pochopit jejich roli ve vesmíru.

„Viděli jsme odezvu se značnými nesrovnalostmi mezi naším novým měřením a historickými údaji,“ řekl Michael Febbraro z ORNL, hlavní autor studie publikované v Dopisy o fyzickém vyšetření to ukazuje vylepšené měření odezvy. „Je to jedna z nejstarších reakcí, jaké byly kdy studovány, a stále o ní objevujeme nové věci.“

Starší měření z roku 2005, které bylo použito jako referenční standard, bylo nesprávně analyzováno. Byl zohledněn pouze základní stav částic, nikoli spektrum základních stavů a ​​excitovaných stavů. Nové měření, které bylo provedeno s detektorovým polem založeným na neutronové spektroskopii a sekundárních paprskech gama, zohlednilo celé spektrum energií částic.

Febbraro, který experiment navrhl a sestrojil detektory, provedl měření s Richardem deBoerem z University of Notre Dame a Stevenem Painem z ORNL. Další spoluautoři zastupují University of Surrey; University of Michigan, Ann Arbor; University of Tennessee, Knoxville; a Rutgersova univerzita.

Tito jaderní fyzici nechtěli studovat vlastnosti neutrin. Obvykle se zabývají atomovými jádry a jejich interakcemi. Ve vědě však objevy v jedné oblasti mají často hluboký dopad na jiné oblasti.

Známá jaderná reakce přeměňuje uhlík-13 na kyslík-16 a neutron. Stejná reakce významně přispívá k pozadí experimentů, ve kterých jsou neutrina měřena, bez ohledu na to, zda jsou emitována ze slunce, atmosféry, urychlovačů, jaderných reaktorů nebo zemského jádra.

Rychlost této reakce musí být známa, aby bylo možné přesně vypočítat pozadí v detektorech, jako je japonský kapalný scintilátorový detektor antioutrino Kamioka nebo KamLAND. Pomocí urychlovače z University of Notre Dame vědci vystřelili alfa částici (tj. Jádro helia-4) na cíl uhlíku-13 a krátce vytvořili kyslík-17, který se rozdělil na kyslík-16 a neutron. Vědci měřili „průřez“ nebo pravděpodobnost reakce, která je úměrná rychlosti produkce neutronů.

„Zjistili jsme, že současný světový datový soubor je docela špatný, protože nebyly brány v úvahu jiné aktivované reakční kanály,“ řekl Febbraro. „Máme speciální typ detektoru, který dokáže detekovat energii neutronů, a to byla hlavní technologie, která toto měření umožnila.“

Detektory neutrin musí být velké, aby zesílily slabé signály. KamLAND je naplněn scintilátorem na bázi uhlovodíků, což je olej, který interaguje s neutriny a vyzařuje světlo. Tyto záblesky usnadňují identifikaci a počítání nepolapitelných neutrin. Produkty rozpadu radonu, přirozeně se vyskytujícího radioaktivního plynu, se však kombinují s uhlíkem-13, vzácným izotopem uhlíku, který se nachází ve scintilátoru, a vytvářejí kyslík-16 a neutrony, které napodobují signály z neutrin.

KamLAND váží asi tisíc tun. Zatímco uhlík-13 tvoří pouze 1,1% veškerého uhlíku, KamLAND ho obsahuje 10 tun. Radon vstupující do detektoru se rozpadá na dceřiné prvky s různými energiemi. Alfa částice vytvořené těmito rozpady interagují s uhlíkem-13 a vytvářejí pozadí, které přemůže neutrinový signál. „Je to hlavní zdroj pozadí těchto experimentů,“ řekl Febbraro.

Předchozí referenční měření odezvy měřilo jádra pouze na nejnižší energetické úrovni nebo v základním stavu. Jádra však také žijí na vyšších energetických úrovních, tzv. Vzrušených stavech. Různé energetické úrovně ovlivňují pravděpodobnost, že reakce bude mít určitou cestu.

“Máme přesnost a vylepšeno.” přesnost měření pomocí nastavení, které je citlivé na spektrum neutronových energií, “řekl Febbraro.

Globální vědecká komunita využívá hodnocené jaderné databáze, které obsahují referenční a generovaná odborníkem ověřená referenční měření. Aby bylo možné posoudit pozadí KamLAND, provedli fyzici KamLAND referenční měření z roku 2005 generované jadernými fyziky z jedné z těchto databází, Japonské hodnocené knihovny jaderných dat. Domnívali se, že měření je správné, a do svých výpočtů jej vložili do kapsy.

„Předpoklad, že na vzrušených státech nezáleží, není pravdivý,“ řekl Febbraro. „Včetně excitovaných stavů nejen mění velikost pozadí, které vytváří v KamLANDu, ale také ovlivňuje několik aspektů neutrinového signálu.“

Fyzička ORNL Kelly Chipps, která pomohla se svým kolegou z ORNL Michaelem Smithem při analýze dat a interpretaci výsledků, souhlasila.

„Pozadí je něco, co musíš pečlivě pochopit,“ řekla. „Jinak by počet skutečných událostí, které jsi viděl, mohl být zcela chybný.“

Pokud požádáte velký neutrinový detektor naplněný scintilátory, aby rozlišil pozadí od signálu, budete mít zavázané oči a krmení červenými nebo zelenými čokoládami potaženými cukrovinkami a zeptáte se, kolik červených čokolád jste snědli.

„Problém je, že všechny sladkosti chutnají stejně,“ řekl Chipps. „Chcete-li zjistit, kolik červených cukrovinek jste snědli, spočítejte celkový počet cukrovinek a zavolejte výrobce čokolády a zeptejte se, kolik červených cukrovinek je obvykle v tašce.“

Stejně jako můžete tento poměr použít k odhadu množství cukrovinek, vědci mohou použít referenční informace v hodnocených jaderných databázích k odhadu počtu neutrin.

„Ukázalo se, že náš experiment dostal jinou odpověď, než jakou dal„ výrobce cukrovinek “pro tento poměr,“ pokračoval Chipps. “Není to proto, že by výrobce chtěl dát špatnou odpověď.” Je to proto, že váš třídicí stroj byl naprogramován na nesprávnou hodnotu. “

Nová rychlost produkce neutronů, kterou našel Febbraro a jeho kolegové z jaderné fyziky, nyní mohou fyzici pracující na KamLANDu a dalších experimentech s neutriny založenými na kapalných scintilátorech využít k odečítání pozadí s lepší přesností a přesností.

Od tohoto nového měření používá tým Febbraro speciální detektor k měření podobných reakcí. Zjistili nesrovnalosti v míře produkce neutronů u půl tuctu izotopů. „Výpočty v této masové oblasti nejsou příliš spolehlivé,“ řekl.

Odkaz: „Nové 13C (α, n)16O Průřez s účinky na míchání neutrin a měření geoneutrina “M. Febbraro, RJ de Boer, SD Pain, R. Toomey, FD Becchetti, A. Boeltzig, Y. Chen, KA Chipps, M. Couder, KL Jones E. Lamere, Q. Liu, S. Lyons, KT Macon, L. Morales, WA Peters, D. Robertson, BC Rasco, K. Smith, C. Seymour, G. Seymour, MS Smith, E. Stech, B. Vande Kolk a M. Wiescher, 7. srpna 2020, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.125.062501

Vývoj detektoru byl podpořen DOE Office of Science. Měření bylo provedeno v Nuclear Science Laboratory na univerzitě Notre Dame University, podporované Národní vědeckou nadací.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Hubble objevil nádhernou hvězdnou školku

po Evropská kosmická agentura / Hubble 8. března 2021 AFGL 5180, školka krásných hvězd v souhvězdí Blíženců (Gemini), byla zachycena Hubbleovým kosmickým dalekohledem. Poděkování: ESA /...

Biologové a matematici z MIT odhalují, jak se vajíčka tak zvětšují

Zasunuté ošetřovatelské buňky ovocných mušek vytlačují jejich obsah do velké vaječné buňky. Uznání: Jasmine Imran Elsus Růst vajec závisí na fyzikálních jevech, které brání...

Nový systém přenosu dat 10krát rychlejší než USB և používá polymerový kabel jako tenký vlas

Vědci vyvinuli systém přenosu dat, který kombinuje vysokofrekvenční křemíkové čipy s polymerovým kabelem do tenkého pramene vlasů. Půjčka Díky vědcům, editoval MIT...

Znepokojující nový důkaz, že vakcíny COVID-19 jsou méně účinné než nové varianty koronaviru

Asistentka lékaře Philana Liang připravuje láhev vakcíny COVID-19 na Lékařském kampusu University of Washington. Nový výzkum na Lékařské fakultě University of Washington v...

Rad solární chlazení – solární ohřev z jednoho systému. Není nutná elektřina

Systém snížil teplotu uvnitř testovacího systému ve venkovním prostředí vystaveném přímému slunečnímu záření o více než 12 stupňů Celsia (22 stupňů Fahrenheita). Půjčka...

Newsletter

Subscribe to stay updated.