为了纠正错误,核物理学家提高了中微子研究的精度

氘代光谱阵列

在圣母大学(University of Notre Dame),橡树岭氘光谱阵列(Oak Ridge Deuterated Spectroscopic Array)的一部分测量了一个在一些中微子探测器中引起噪音的反应。资料来源:美国能源部的Michael Febbraro/ORNL

由能源橡树岭国家实验室的领导,一项新的研究对中微域的专业探测器中不需要的背景信号的最大贡献者进行了差异。背景的更好表征可以改善电流和未来的实验,以检测来自这些弱相互作用,电中性亚粒子粒子的真实信号,并了解他们在宇宙中的作用。

“我们在新的测量和历史数据之间确定了一种具有重要差异的反应,”Ornl的Michael Febbraro表示,一项研究发表的研究物理评论信这提出了改进的反应测量。“这是学习的最古老的反应之一,我们仍然发现了关于它的新事物。”

2005年从2005年被用作参考标准的一个较旧的测量被错误地分析了。它仅考虑了粒子的地面状态,而不是一个地面和兴奋状态。使用基于中子谱和次级伽马射线的探测器阵列进行的新测量,考虑了整个粒子能的谱。

Febbraro,他们构思了实验并建造了探测器,对Notre Dame大学的Richard Deboer进行了测量,奥诺尔史蒂文痛苦。其他共同作者代表萨里大学;密歇根大学安娜堡;田纳西大学,诺克斯维尔;和罗格斯大学。

这些核物理学家没有出发学习中微子属性;它们通常涉及原子核及其相互作用。但在科学中,一个区域的发现往往对其他领域的影响深远。

众所周知的核反应将碳-13变成氧气-16和中子。同样的反应是在测量中微子,无论它们是否被从太阳,大气,加速器,核反应堆或地球核心发出的实验中的实验中的主要贡献者。

需要众所周知,这种反应的速率可以准确地计算日本的Kamioka液体闪烁体Antineutrino探测器或康兰等探测器的背景。研究人员使用了一位巴黎圣母院加速器,在碳-13的靶标中射出了α粒子(即氦-4核),简要地形成氧气-17,氧气-17衰减到氧气-16和中子中。研究人员测量了“横截面”或发生反应的概率,这与中子生产的速率成比例。

“我们发现目前的世界数据是不正确的,因为他们没有考虑到其他的反应渠道打开,”费伯拉罗说。“我们有一种特殊类型的探测器,它可以告诉我们中子能量是多少,这是使这种测量成为可能的主要技术。”

中微子探测器需要大量提高弱信号。Kamland充满了一种基于碳氢化合物的闪烁体,一种与中微子相互作用并发光的油。那些闪闪发光让它更容易发现并计算难以捉摸的中微子。然而,氡的腐烂产品是一种自然发生的放射性气体,与碳-13结合,闪烁器中存在的罕见同位素,产生氧气-16和中子,其模拟中微子的信号。

卡姆兰重约1000吨。所以,碳-13只占碳总量的1.1%,而卡姆兰却含有10吨碳。进入探测器的氡衰变成具有不同能量的子元素。由这些衰变产生的阿尔法粒子与碳-13相互作用,产生一个压倒中微子信号的背景。“这是这些实验背景的主要来源,”费伯拉罗说。

反应的先前参考测量仅在最低能级或地面处测量核。但是核心过于较高的能量水平,称为兴奋状态。不同的能量水平会影响反应需要特定路径的可能性。

“我们大大提高了精确度和准确性Febbraro说,通过利用对中子能量敏感的设置来测量。

全球科学界利用评估过的核数据库,其中包含专家生成的、同行评议的参考测量。为了估算KamLAND的背景,KamLAND的物理学家们从这些数据库之一——日本评估核数据库——中提取了由核物理学家生成的2005年参考测量数据。他们假定测量结果是正确的,并将其纳入计算中。

“激发态无关紧要的假设是不正确的,”费伯拉罗说。“包括激发态不仅会改变它在卡姆兰引起的背景大小,还会影响中微子信号的多个方面。”

Ornl物理学家Kelly Chipps,有助于分析数据并与她的Ornl同事Michael Smith解释结果,同意。

“背景是你必须精确理解的东西,”她说。“否则,您看到的真实事件数量可能是完全错误的。”

询问填充大型闪烁的中微子探测器以区分从信号的背景是被蒙上眼睛的,用红色或绿色糖果涂层喂食巧克力,并要求讲述你吃多少红巧克力。

“麻烦就是,所有的糖果都是一样的,”Chipps说。“要弄清楚你吃了多少红糖,你会计算糖果的总数,并致电巧克力制造商,询问多少个红色糖果通常在一个包里。”

就像知道这个比率就会让你估计有关糖果量的估计,评估核数据库中的参考信息让科学家估计中微子数字。

“事实证明,我们的实验比”糖果制造商“所说的比例所说的不同答案,”Chipps继续。“这不是因为制造商意味着给出错误的答案;这是因为它们的分拣机被编程错误的值。“

Febbraro和他的核物理同事发现的新中子制作率现在可以由在康兰和其他基于液体闪烁体的中微子实验上工作的物理学家使用,以减去具有更好的准确性和精度的背景。

由于这种新测量,Febbraro的团队采用了特殊探测器来衡量类似的反应。他们发现中子生产率的差异为六个同位素。“在这个大众区域的计算不是很可靠,”他说。

参考:“新的13.C(α,n)16.o对中微子混合和Geoneutino测量的影响的横截面“由M. Febbraro,R.J.Doboer,S. D.疼痛,R. Toomey,F. D.Cecchetti,A. Boeltzig,Y. Chen,K.A。Chipps,M. Coud,K.L.Jones,E. Lamere,Q. Liu,S. Lyons,K.T. Macon,L. Morales,W. A.彼得斯,D. Rocertson,B.C.Rasco,K. Smith,C.Seymour,G.Seymour,M. S. Smith,E. Stech,B. Vande Kolk和M. Wiescher,2020年8月7日,物理评论信
DOI:10.1103 / physrevlett.125.062501

DOE科学办公室支持探测器开发。该衡量标准在Notre Dame核科学实验室大学,由国家科学基金会提供支持。

是第一个评论论“纠正错误的核物理学家提高了中微子研究的精确度”

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