Phenomenology of strangeness-changing two-body currents in antineutrino scattering

In de subatomaire wereld zijn deeltjes die antineutrino's worden genoemd spookachtige reizigers die zelangzaam met materie interageren, maar wanneer ze toch een kern raken, kunnen ze een neutron in een proton veranderen of een proton in een neutron. Soms is deze interactie zelfs nog dramatischer: de antineutrino kan de identiteit van een deeltje fundamenteel veranderen, door een neutron te transformeren in een vreemd deeltje dat een hyperon wordt genoemd. Deze hyperonen zijn onstabiel en vervallen snel, maar voordat ze verdwijnen, stuiteren ze rond binnen de atoomkern en interageren ze met andere deeltjes. Wetenschappers bestuderen deze zeldzame gebeurtenissen om te begrijpen hoe vreemde materie zich gedraagt binnen de dichte omgeving van een atoomkern, een cruciale puzzelstuk voor het begrijpen van de fundamentele krachten van de natuur. Jarenlang hebben onderzoekers zich gericht op de eenvoudigste versie van deze gebeurtenis, waarbij een antineutrino een enkel deeltje binnen de kern raakt en een hyperon creëert. Echter, de natuur is zelden zo eenvoudig, en er is een mogelijkheid dat de antineutrino in plaats daarvan een nauw verbonden paar deeltjes raakt, waardoor er een hyperon ontstaat en tegelijkertijd een tweede deeltje wordt weggeslagen.

Een recente studie door fysicus J. A. Nowak onderzoekt deze over het hoofd geziene mogelijkheid, specifiek kijkend naar wat er gebeurt wanneer een antineutrino een paar nucleonen raakt — een proton en een neutron die aan elkaar vastzitten — en een hyperon produceert samen met een tweede nucleon. Dit proces, bekend als een twee-deeltjesstroom (two-body current), is grotendeels genegeerd in computersimulaties die gebruikt worden om te voorspellen wat deeltjesdetectoren zullen waarnemen. Eerdere modellen hadden simpelweg gespeculeerd dat deze zeldzame gebeurtenis ongeveer 15 procent zo vaak zou voorkomen als de standaard enkel-deeltjesgebeurtenis, maar zij hadden geen echte gegevens om dat getal te ondersteunen. Het werk van Nowak gaat voorbij aan gissen door de werkelijke waarschijnlijkheid van deze twee-deeltjesinteractie te berekenen en te bepalen hoe dit het beeld verandert voor experimenten die momenteel lopen of gepland staan voor de nabije toekomst.

De onderzoeker bouwde een gedetailleerd model om de vreemde, twee-deeltjesgebeurtenis te vergelijken met een vergelijkbare, niet-vreemde gebeurtenis waarbij geen hyperon wordt gecreëerd. Door beide processen op hetzelfde paar deeltjes te berekenen en gevestigde kernfysische modellen te gebruiken om de resultaten op te schalen naar een volledige kern, bepaalde de studie de ware ratio tussen de twee soorten gebeurtenissen. De bevindingen laten zien dat de twee-deeltjesinteractie niet een constante 15 procent is zoals voorheen aangenomen. In plaats daarvan verandert de frequentie ervan afhankelijk van de energie van de inkomende antineutrino. Bij lagere energieën, rond 0,6 miljard elektronvolt, komt de twee-deeltjesgebeurtenis ongeveer 14 procent zo vaak voor als de standaard enkel-deeltjesgebeurtenis. Naarmate de energie stijgt naar tussen de 2 en 5 miljard elektronvolt, neemt deze ratio toe tot tussen de 20 en 22 procent. Wanneer men gemiddeld over het specifieke energiespectrum van de Booster Neutrino Beam, stabiliseert de snelheid zich op ongeveer 15 tot 17 procent, wat dicht bij de oude schatting ligt, maar met een veel nauwkeuriger begrip van hoe deze varieert met de energie.

Deze ontdekking heeft directe gevolgen voor hoe wetenschappers gegevens interpreteren van detectoren zoals SBND en DUNE, die vloeibaar argon gebruiken om deze deeltjes op te vangen. De studie vond dat deze twee-deeltjesgebeurtenissen duidelijke vingerafdrukken achterlaten die verschillen van de standaard enkel-deeltjesinslagen. Omdat de energie bijvoorbeeld wordt gedeeld tussen twee uitgaande deeltjes in plaats van één, lijkt de gereconstrueerde energie van de gebeurtenis lager dan deze in werkelijkheid is. In simulaties bleken deze gebeurtenissen 12 tot 30 procent lager in energie gereconstrueerd te worden dan ze werkelijk zijn, een significante verschuiving die metingen zou kunnen verkenen als er niet voor wordt geanticipeerd. Bovendien zijn deze gebeurtenissen eerder geneigd om een proton te produceren op de exacte plek waar de botsing plaatsvindt, terwijl de standaardgebeurtenissen dat meestal niet doen. Sterker nog, ongeveer de helft van deze twee-deeltjesgebeurtenissen laat een proton achter met genoeg energie om door de detector gezien te worden, vergeleken met slechts ongeveer één vijfde van de standaardgebeurtenissen.

Een van de meest verrassende en specifieke bevindingen betreft een bepaald type deeltje genaamd een positieve Sigma-hyperon. In standaard enkel-deeltjesinteracties is het onmogelijk om een positieve Sigma-hyperon te creëren zonder ook een kaon te creëren, een ander type deeltje. Echter, de twee-deeltjesinteractie kan deze positieve Sigma-hyperon direct bij de botsingsplaats creëren zonder een kaon. Dit betekent dat een aanzienlijk deel van de kaon-loze positieve Sigma-hyperonen die in detectoren worden gezien, niet afkomstig is van de kerninteracties die wetenschappers bestuderen, maar van deze twee-deeltjesbotsingen. De studie schat dat deze twee-deeltjesgebeurtenissen meer dan een kwart van de kaon-loze positieve Sigma-hyperonen leveren die worden gebruikt om te bestuderen hoe hyperonen hun lading binnen de kern veranderen. Dit suggereert dat eerdere analyses die probeerden ladinguitwisseling te meten, mogelijk twee verschillende fysische processen met elkaar hebben vermengd.

Ondanks deze duidelijke resultaten benadrukt de studie ook waar de wetenschap onzeker blijft. De grootste onbekende factor is hoe men het twee-deeltjes signaal perfect kan scheiden van een standaard enkel-deeltjesgebeurtenis die toevallig direct daarna tegen een tweede deeltje botst. Afhankelijk van hoe de onderzoekers deze scheiding definieerden, kan de geschatte snelheid van twee-deeltjesgebeurtenissen variëren van 12 tot 22 procent bij 1 miljard elektronvolt. Er is ook een mogelijkheid dat deze twee processen met elkaar interfereren, een kwantumeffect dat nog niet is berekend, maar dat even groot zou kunnen zijn als de twee-deeltjesratio zelf. De studie concludeert dat hoewel de huidige modellen een belangrijke stap voorwaarts zijn, een volledig begrip complexere berekeningen vereist die de interferentie tussen deze processen en het specifieke gedrag van deeltjes binnen de kern omvatten. Voor nu biedt de nieuwe data de fysici een veel scherper instrument om hun detectoren af te stemmen en ervoor te zorgen dat zij de ware aard van deze zeldzame subatomaire transformaties waarnemen.