Al corregir el error, los físicos nucleares mejoran la precisión de los estudios de neutrinos

En la Universidad de Notre Dame, parte de la matriz espectroscópica deuterizada de Oak Ridge mide la reacción que causa el ruido en algunos detectores de neutrinos. Crédito: Michael February u ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, se está haciendo una nueva distinción con respecto al mayor contribuyente de señales de fondo no deseadas en detectores especializados de neutrinos. Una buena característica de los antecedentes para identificar señales verdaderas de células subatómicas electro-neutrales que interactúan débilmente y para comprender su papel en el universo es mejorar los experimentos actuales y futuros.


“Identificamos la reacción con diferencias significativas entre nuestra nueva medida y los datos históricos”, dijo Michael February Braro de ORNL. Cartas de revisión física Esto proporciona una medida de reacción mejorada. “Es una de las reacciones más antiguas que hemos estudiado y todavía estamos descubriendo cosas nuevas al respecto”.

Se ha desalineado una antigua medida de 2005 utilizada como estándar de referencia. Solo considera el estado fundamental de las células en lugar del espectro de la tierra y los estados excitados. La nueva medida, realizada con una serie de detectores basados ​​en espectroscopia de neutrones y rayos gamma secundarios, se considera el espectro total de energías de las partículas.

February Bravo, quien construyó los detectores detrás del experimento, demostró la medición con Richard DeBore de la Universidad de Notre Dame y Steven Payne de ORNL. Otros coautores se refieren a la Universidad de Surrey; Universidad de Michigan, Ann Arbor; Universidad de Tennessee, Knoxville; Y la Universidad de Rutgers.

Estos físicos nucleares no se propusieron estudiar Neutrino Caracteristicas; Suelen estar ansiosos Núcleos moleculares Y sus interacciones. Pero en la ciencia, los descubrimientos en un área a menudo tienen un efecto profundo en otras áreas.

La famosa reacción nuclear convierte el carbono 13 en oxígeno 16 y neutrones. La misma reacción es la razón principal del trasfondo de los experimentos que miden si los neutrinos son emitidos por el sol, la atmósfera, los aceleradores, los reactores nucleares o el núcleo de la tierra.

Para calcular con precisión el fondo en detectores como el detector antinutrino de sintetizador líquido Kamiyoka de Japón o Camland, debe conocer bien esa velocidad de reacción. Usando el Acelerador de la Universidad de Notre Dame, los investigadores apuntaron a la partícula alfa de carbono 13 (es decir, el núcleo de helio 4) y formaron brevemente oxígeno 17, que se redujo a oxígeno 16 y neutrones. Los investigadores miden la probabilidad de que ocurra una “sección transversal” o reacción, que es proporcional a la tasa de producción de neutrones.

“Encontramos que el conjunto de datos globales actual es ligeramente incorrecto porque no contaron los otros canales de reacción que activaron”, dijo February Broro. “Tenemos un tipo único de detector que puede decir qué es la energía de neutrones, y es la tecnología principal que hace posible esta medición”.

Los detectores de neutrinos deben ser grandes para amplificar las señales débiles. Camland está equipado con un sintetizador a base de hidrocarburos que interactúa con los neutrinos y emite luz. Esas chispas facilitan la detección y el recuento de neutrinos esquivos. Sin embargo, los productos de la desintegración del radón, un gas radiactivo natural, se combinan con el carbono 13 para imitar las señales creando el raro isótopo de carbono, oxígeno 16 y neutrones en el sintetizador. Neutrinos.

Camland pesa alrededor de mil toneladas. Por lo tanto, el carbono 13 es solo el 1,1% del carbono total, en comparación con las 10 toneladas en Camland. El radón que ingresa al detector‌ se descompone en elementos secundarios que tienen diferentes energías. Las células alfa producidas por esa desintegración interactúan con el carbono 13, que abruma la señal de neutrinos. “Es una fuente importante de antecedentes en estos experimentos”, dijo Bravo en febrero.

La medición predictiva de la reacción mide los núcleos solo al nivel de energía más bajo o al nivel del suelo. Pero los núcleos residen en los niveles de energía más altos conocidos como estados de excitación. Los diferentes niveles de energía afectan la probabilidad de que la reacción tome un camino específico.

“Hemos mejorado enormemente la exactitud y la precisión de las mediciones mediante el uso de una configuración que es sensible al espectro de energías de neutrones”, dijo February Bravo.

La Sociedad Científica Mundial utiliza bases de datos nucleares evaluadas que contienen mediciones de referencia revisadas por pares creadas por expertos. Para estimar los antecedentes de Camland, los físicos de Camland alargaron la medida de referencia de 2005. Físicos nucleares De una de estas bases de datos, la biblioteca japonesa de datos nucleares evaluados. Pensaron que la medida era correcta y la agregaron a sus cálculos.

“No es cierto que los estados emocionados no importen”, dijo February. “Cambia no solo la magnitud del fondo que causa en Camland‌, incluidos los estados excitados, sino que también afecta a múltiples aspectos de la señal de neutrinos”.

Kelly Chips, un físico de ORNL que estuvo de acuerdo con su colega de ORNL Michael Smith para ayudar a analizar los datos y explicar los resultados, estuvo de acuerdo.

“El trasfondo es algo que definitivamente necesitas entender”, dice ella. “De lo contrario, la cantidad de eventos reales que vio podría ser completamente incorrecta”.

Pedirle a un detector de neutrinos grande, lleno de centelleador, que separe el fondo de la señal es como tener los ojos vendados, alimentar con chocolates con una capa de caramelo rojo o verde y preguntar cuántos chocolates rojos ha comido.

“El problema es que no todos los dulces saben igual”, dijo Chips. “Para saber cuántos dulces rojos comió, cuente el número total de dulces, llame al fabricante de chocolate y pregunte cuántos dulces rojos hay normalmente en una bolsa”.

Conocer esta proporción le permite estimar el tamaño de los dulces, mientras que la información de referencia en las bases de datos atómicas evaluadas permite a los científicos estimar el número de neutrinos.

“Nuestro experimento resultó tener una respuesta diferente para decirnos cuál sería la proporción de ‘fabricantes de dulces’”, continuó Chips. “Esto no se debe a que el fabricante pretendiera dar una respuesta incorrecta, sino a que su máquina clasificadora se programó con un valor incorrecto”.

Los físicos que trabajan en Camland y otros experimentos de neutrinos basados ​​en sintetizadores líquidos pueden utilizar la nueva tasa de producción de neutrones descubierta en febrero y sus colegas de física nuclear para eliminar el fondo con buena precisión y precisión.

A partir de esta nueva medida, el equipo de February Braro contrató un detector especial para medir reacciones similares. Encontraron diferencias en la tasa de producción de neutrones para media docena de isótopos. “Los cálculos en esta área colectiva no son muy confiables”, dijo.

Titulo de Cartas de revisión física Paper “es nuevo 13C (α, n)dieciséisUna sección transversal con implicaciones para la mezcla de neutrinos y las mediciones de zionotrino. “El desarrollo del detector fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE. La medición se realizó en el Laboratorio de Ciencias Nucleares de la Universidad de Notre Dame con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.


Comprobación de la escala de masa de neutrinos con el detector Comland-Zen de ultrafondo


Más información:
M. February y col. Nueva sección transversal de C13 (α, n) O16, con implicaciones para la mezcla de neutrinos y las mediciones de zionotrino Cartas de revisión física (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.062501

Los que proporcionan
Laboratorio Nacional Oak Ridge

Base: Al corregir un error, los físicos nucleares mejoran la precisión de los estudios de neutrinos (2020, 14 de diciembre) https://phys.org/news/2020-12-righting-wrong-nuclear-physicists-precision.html Recuperado el 14 de diciembre de 2020 .

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