了解幽靈粒子的相互作用

2020-09-30 技術力量


中微子-核子相互作用與能量的截面

科學家常把中微子稱為 "幽靈粒子"。中微子是宇宙起源時最豐富的粒子之一，今天依然如此。太陽當中的核聚變反應產生了大量的中微子，每天都會傾瀉到地球上。每一秒鐘都有數萬億個粒子穿過我們的身體，然後飛過地球，好像它不存在一樣。

美國能源部阿貢國家實驗室的核物理學家亞歷山德羅·洛瓦託說："雖然中微子在近一個世紀前首次被提出，65年前首次被探測到，但由於它們不願意與物質發生相互作用，因此仍然籠罩在神秘的陰影中。"

洛瓦託屬於一個來自四個國家實驗室的研究團隊的成員，該團隊構建了一個模型來解決關於中微子的眾多謎團之一：它們如何與原子核相互作用。這一知識對於揭開一個更大的謎團，為什麼中微子在穿越空間或物質的過程中，會神奇地從一種轉變為三種可能的類型。

為了研究這些振蕩，費米國家加速器實驗室進行了兩組實驗，分別是MiniBooNE和NOvA。在這些實驗中，科學家們在粒子加速器中產生強烈的中微子流，然後在很長一段時間內（MiniBooNE）或距離源頭五百英裡的地方（NOvA）將它們送入粒子探測器。

知道了中微子的原始分布後，實驗人員就會收集中微子與探測器中原子核相互作用的相關數據。從這些信息中，他們可以計算出中微子「味」隨時間或距離的任何變化。在MiniBooNE和NOvA探測器的情況下，原子核來自同位素碳-12，它有六個質子和六個中子。

阿貢物理學部門和費米實驗室的博士後諾米·羅科說:"這些實驗需要一個非常精確的中微子與探測器原子核在大能量範圍內的相互作用模型，鑑於中微子的難以捉摸，實現對這些反應的全面描述是一項艱巨的挑戰。"

該團隊的中微子與單個核子和一對核子相互作用的核物理模型是迄今為止最精確的。羅科說"我的是第一個在如此微觀水平上模擬這些相互作用的團隊，早期的方法並沒有這麼精細。"

洛瓦託說："探測器中的核子越大，中微子與核子相互作用的可能性就越大。未來，我們計劃將我們的模型擴展到更大的核，即氧和氬的核的數據，以支持計劃在日本和美國進行的實驗。"

羅科補充說："對於這些計算，我們將依靠更強大的計算機，即現有的Theta系統和即將到來的超大規模機器Aurora。"

科學家們希望，最終將出現一幅完整的中微子及其反粒子（稱為 "反中微子"）的「味」振蕩圖。這種知識可能會揭示為什麼宇宙是由物質而不是反物質構建的，這是宇宙的基本問題。

這篇題為 "Ab Initio Study of (νℓ,ℓ-) and (ν¯ℓ,ℓ+) Inclusive Scattering in C12: 除Rocco和Lovato外，作者還包括J. Carlson(Los Alamos國家實驗室)、S. Gandolfi(Los Alamos國家實驗室)和R. Schiavilla(Old Dominion大學/傑弗遜實驗室)。

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