Нейтрино вездесущи, они в большом количестве генерируются звездами по всей нашей Вселенной. Несмотря на распространенность, эти застенчивые частицы редко взаимодействуют с веществом, что делает их очень трудными для изучения.

"Существует такое явление, когда нейтрино переходят из одного типа в другой, и это явление называется осцилляцией нейтрино. Интересно изучать этот феномен, потому что он недостаточно изучен", - сказала Мариана Хачатрян, соавтор исследования, которая была аспиранткой Университета Олд Доминион в исследовательской группе профессора и выдающегося ученого Ларри Вайнштейна, когда она участвовала в исследовании. В настоящее время она является постдокторским научным сотрудником в Международном университете Флориды.

Одним из способов изучения колебаний нейтрино является создание гигантских сверхчувствительных детекторов для измерения нейтрино глубоко под землей. Детекторы обычно содержат плотные материалы с большими ядрами, поэтому нейтрино с большей вероятностью будут взаимодействовать с ними. Такие взаимодействия запускают каскад других частиц, которые регистрируются детекторами. Физики могут использовать эти данные, чтобы получить информацию о нейтрино.

"Способ, которым физики нейтрино делают это, заключается в измерении всех частиц, возникающих в результате взаимодействия нейтрино с ядрами, и восстановлении поступающей энергии нейтрино, чтобы узнать больше о нейтрино, его колебаниях и измерить их очень, очень точно", - объяснил Ади Ашкенази. Ашкенази является контактным автором исследования, который работал над этим проектом в качестве научного сотрудника в исследовательской группе профессора или Хена в Массачусетском технологическом институте. Сейчас она старший преподаватель Тель-Авивского университета.

"Детекторы сделаны из тяжелых ядер, и взаимодействия нейтрино с этими ядрами на самом деле являются очень сложными взаимодействиями", - сказал Ашкенази. "Эти методы восстановления энергии нейтрино по-прежнему очень сложны, и наша работа заключается в улучшении моделей, которые мы используем для их описания".

Эти методы включают моделирование взаимодействий с помощью теоретической симуляции под названием GENIE, позволяющей физикам определять энергии входящих нейтрино. GENIE - это смесь многих моделей, каждая из которых помогает физикам воспроизвести определенные аспекты взаимодействий между нейтрино и ядрами. Поскольку о нейтрино известно так мало, трудно напрямую протестировать GENIE, чтобы гарантировать, что он даст точные и высокоточные результаты на основе новых данных, которые будут предоставлены в будущих экспериментах с нейтрино, таких как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) или Hyper-Kamiokande.

Чтобы протестировать GENIE, команда обратилась к скромной частице, о которой физики-ядерщики знают гораздо больше: электрону.

"Это использует сходство между электронами и нейтрино. Мы используем электронные исследования для проверки моделей взаимодействия нейтрино и ядра", - сказал Хачатрян.

У нейтрино и электронов много общего. Они оба принадлежат к семейству субатомных частиц, называемых лептонами, поэтому они оба являются элементарными частицами, на которые сильное взаимодействие не влияет.

В этом исследовании команда использовала версию GENIE, рассеивающую электроны, получившую название e-GENIE, для тестирования тех же алгоритмов восстановления поступающей энергии, которые будут использовать исследователи нейтрино. Вместо использования нейтрино они использовали недавние результаты по электронам.

"Электроны изучались в течение многих лет, и пучки электронов обладают очень точной энергией", - сказал Ашкенази. "Мы знаем их энергию. И когда мы пытаемся реконструировать эту поступающую энергию, мы можем сравнить это с тем, что мы знаем. Мы можем проверить, насколько хорошо наши методы работают для различных энергий, чего вы не можете сделать с нейтрино ".

Исходные данные для исследования были получены в результате экспериментов, проведенных с детектором CLAS на ускорителе непрерывного электронного пучка лаборатории Джефферсона, пользовательском объекте DOE. CEBAF - самый совершенный в мире ускоритель электронов для исследования природы материи. Команда использовала данные, которые непосредственно отражали простейший случай, подлежащий изучению в экспериментах с нейтрино: взаимодействия, при которых из ядер гелия, углерода и железа образуются электрон и протон (в отличие от мюона и протона). Эти ядра похожи на материалы, используемые в детекторах нейтринных экспериментов.

Кроме того, группа работала над тем, чтобы электронная версия GENIE была как можно более параллельна нейтринной версии.

"Мы использовали точно такое же моделирование, которое использовалось в экспериментах с нейтрино, и мы использовали те же поправки", - объяснил Афродити Пападопулу, соавтор исследования и аспирант Массачусетского технологического института, который также входит в исследовательскую группу Hen. "Если модель не работает для электронов, где мы говорим о самом упрощенном случае, она никогда не будет работать для нейтрино".

Даже в этом простейшем случае решающее значение имеет точное моделирование, поскольку исходные данные по электронно-ядерным взаимодействиям обычно восстанавливаются до правильной энергии входящего электронного пучка менее чем в половине случаев. Хорошая модель может учесть этот эффект и скорректировать данные.

Однако, когда GENIE использовался для моделирования этих событий данных, он работал еще хуже.

"Это может повлиять на результаты нейтринных колебаний. Наше моделирование должно быть способно воспроизвести наши электронные данные с известными энергиями пучка, прежде чем мы сможем быть уверены, что они будут точными в экспериментах с нейтрино", - сказал Пападопулу.

Хачатрян согласился.

"На самом деле результат заключается в том, чтобы указать на то, что существуют аспекты этих методов и моделей энергетической реконструкции, которые нуждаются в улучшении", - сказал Хачатрян. "Это также показывает путь к достижению этого для будущих экспериментов".

Следующим шагом в этом исследовании является тестирование конкретных ядер-мишеней, представляющих интерес для исследователей нейтрино, и в более широком спектре энергий поступающих электронов. Наличие этих конкретных результатов для прямого сравнения поможет исследователям нейтрино в точной настройке своих моделей.

По словам исследовательской группы, цель состоит в том, чтобы достичь широкого согласия между данными и моделями, что поможет гарантировать, что DUNE и Hyper-Kamiokande смогут достичь ожидаемых высокоточных результатов.