突破性的MicroBooNE测量阐明了中微子相互作用

　　MicroBooNE事件显示中微子氩气相互作用的特写视图，这是用于提取能量依赖性μ子中微子氩气相互作用横截面的11，528个事件中的一个。图片来源：布鲁克海文国家实验室
　　来自国际MicroBooNE合作的物理学家研究了称为中微子的幽灵状粒子，他们报告了一项史无前例的测量：一套全面的能量依赖性中微子 - 氩气相互作用横截面。这一测量标志着朝着实现下一代中微子实验的科学目标迈出的重要一步，即深地下中微子实验（DUNE）。
　　中微子是微小的亚原子粒子，既难以捉摸又非常丰富。虽然它们以接近光速的速度无休止地轰击地球表面的每一英寸，但中微子可以在不干扰单个原子的情况下穿过光年的铅。了解这些神秘的粒子可以解开宇宙中一些最大的秘密。
　　位于美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室的MicroBooNE实验自2015年以来一直在收集中微子的数据，部分原因是作为目前正在建设中的DUNE的试验台。为了识别难以捉摸的中微子，两个实验都使用了低噪声液氩时间投射室（LArTPC）——一种复杂的探测器，当粒子通过保持在-303华氏度的寒冷液态氩气时，它可以捕获中微子信号。MicroBooNE物理学家一直在为DUNE的大型探测器改进LArTPC技术。
　　现在，由美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家领导的一个团队与耶鲁大学和路易斯安那州立大学的研究人员合作，通过测量中微子 - 氩气横截面进一步完善了这些技术。他们的工作今天发表在《 物理评论快报》上 。
　　＂中微子 - 氩气横截面代表了氩核如何响应入射中微子，例如MicroBooNE或DUNE产生的中微子束中的中微子束中的中微子，＂布鲁克海文实验室物理学家Xin Qian说，他是布鲁克海文MicroBooNE物理小组的负责人。＂我们的最终目标是研究中微子的性质，但首先我们需要更好地了解中微子如何与探测器中的材料相互作用，例如氩原子。
　　DUNE将研究的最重要的中微子特性之一是粒子如何在三种不同的＂味道＂之间振荡：μ子中微子，tau中微子和电子中微子。科学家们知道，这些振荡取决于中微子的能量以及其他参数，但这种能量很难估计。中微子相互作用不仅在本质上极其复杂，而且在每个中微子束中也存在巨大的能量扩散。确定详细的能量相关横截面为物理学家提供了研究中微子振荡的基本信息。
　　＂一旦我们知道了横截面，我们就可以反转计算，从大量相互作用中确定平均中微子能量，风味和振荡特性，＂布鲁克海文实验室博士后Wenqiang Gu说，他领导了物理分析。
　　为了实现这一目标，该团队开发了一种新技术来提取详细的能量依赖性横截面。
　　＂以前的技术将横截面测量为易于重建的变量的函数，＂耶鲁大学研究生London Cooper-Troendle说，他通过美国能源部的研究生研究计划驻扎在布鲁克海文实验室。＂例如，如果你正在研究μ介子中微子，你通常会看到一个带电μ子从粒子相互作用中出来，并且这个带电μ子具有明确定义的属性，如其角度和能量。因此，可以测量横截面作为μ介子角或能量的函数。但是，如果没有一个可以准确解释＂缺失能量＂的模型，我们用这个术语来描述中微子相互作用中不能归因于重建变量的额外能量，这种技术将需要实验来保守地行动。
　　由Brookhaven领导的研究小组试图以前所未有的精度验证中微子能量重建过程，根据DUNE的需要改进中微子相互作用的理论建模。为此，该团队应用了他们的专业知识和从MicroBooNE实验中学到的经验教训，例如他们在重建与不同中微子风味的相互作用方面所做的努力。
　　＂我们增加了一个新的约束，以显着改善中微子能量重建的数学建模，＂路易斯安那州立大学助理教授Hanyu Wei说，他以前是布鲁克海文的Goldhaber研究员。
　　该团队根据实验数据验证了这个新的约束模型，以产生第一个详细的能量依赖性中微子 - 氩气横截面测量。
　　＂这项分析的中微子 - 氩气横截面结果首次能够区分不同的理论模型，＂Gu说。
　　虽然物理学家希望DUNE能够对横截面进行增强的测量，但MicroBooNE合作开发的方法为未来的分析提供了基础。目前的横截面测量已经设置为指导理论模型的其他发展。
　　与此同时，MicroBooNE团队将专注于进一步增强其横截面的测量。目前的测量是在一个维度上完成的，但未来的研究将解决多个维度的价值 - 即作为多个变量的函数 - 并探索更多基础物理学的途径。