SHINE beleuchtet Neutrinostrahlen

Das NA61-Experiment am CERN, auch bekannt als SHINE, hat neue Messungen durchgeführt, die Physikern helfen werden, den Inhalt der Neutrinostrahlen zu ermitteln, die in Experimenten in den USA verwendet werden

7. Juni 2023

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Von Ana Lopes

Die Experimentierhalle, in der sich NA61/SHINE befindet (Bild: CERN)

Es wird angenommen, dass zum Zeitpunkt des Urknalls vor 13,8 Milliarden Jahren jedes Materieteilchen zusammen mit einem Antimaterie-Äquivalent entgegengesetzter elektrischer Ladung entstanden ist. Aber im heutigen Universum gibt es viel mehr Materie als Antimaterie. Warum das so ist, ist eine der größten Fragen der Physik.

Die Antwort könnte zumindest teilweise in Teilchen namens Neutrinos liegen, denen elektrische Ladung fehlt, die nahezu masselos sind und auf ihrer Reise durch den Weltraum ihre Identität von einer von drei Arten zur anderen ändern – oder „oszillieren“. Wenn Neutrinos anders oszillierten als ihre Antimaterie-Äquivalente, die Antineutrinos, könnten sie zur Erklärung des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts im Universum beitragen.

Experimente auf der ganzen Welt, wie das NOvA-Experiment in den USA, untersuchen diese Möglichkeit, ebenso wie Experimente der nächsten Generation, einschließlich DUNE. Bei diesen Neutrinooszillationsexperimenten mit langer Basislinie wird ein Neutrinostrahl gemessen, nachdem er eine lange Strecke zurückgelegt hat – die lange Basislinie. Anschließend wird das Experiment mit einem Antineutrinostrahl durchgeführt und das Ergebnis mit dem des Neutrinostrahls verglichen, um festzustellen, ob die beiden Zwillingsteilchen auf ähnliche oder unterschiedliche Weise schwingen.

Dieser Vergleich hängt von einer Schätzung der Anzahl der Neutrinos in den Neutrino- und Antineutrinostrahlen ab, bevor sie sich bewegen. Diese Strahlen werden durch das Abfeuern von Protonenstrahlen auf feste Ziele erzeugt. Durch die Wechselwirkungen mit dem Ziel entstehen weitere Hadronen, die mithilfe magnetischer „Hörner“ fokussiert und in lange Tunnel geleitet werden, in denen sie sich in Neutrinos und andere Teilchen verwandeln. Bei diesem mehrstufigen Prozess ist es jedoch nicht einfach, den Teilchengehalt der resultierenden Strahlen – einschließlich der Anzahl der darin enthaltenen Neutrinos – zu ermitteln, der direkt von den Proton-Ziel-Wechselwirkungen abhängt.

Betreten Sie das NA61-Experiment am CERN, auch bekannt als SHINE. Mithilfe hochenergetischer Protonenstrahlen vom Super Proton Synchrotron und geeigneter Targets kann das Experiment die relevanten Proton-Target-Wechselwirkungen nachbilden. NA61/SHINE hat zuvor Messungen elektrisch geladener Hadronen durchgeführt, die bei den Wechselwirkungen entstehen und Neutrinos ergeben. Diese Messungen trugen dazu bei, die Schätzungen des Inhalts der Neutrinostrahlen zu verbessern, die in bestehenden Experimenten mit langer Basislinie verwendet wurden.

Die NA61/SHINE-Kollaboration hat nun neue Hadronenmessungen veröffentlicht, die dazu beitragen werden, diese Schätzungen weiter zu verbessern. Dieses Mal maß die Zusammenarbeit mit einem Protonenstrahl mit einer Energie von 120 GeV und einem Kohlenstofftarget drei Arten elektrisch neutraler Hadronen, die in geladene Hadronen zerfallen, die Neutrinos ergeben.

Diese 120-GeV-Proton-Kohlenstoff-Wechselwirkung wird zur Erzeugung des Neutrinostrahls von NOvA verwendet und wird wahrscheinlich auch zur Erzeugung des Strahls von DUNE verwendet. Schätzungen der Anzahl der verschiedenen neutrinoerzeugenden neutralen Hadronen, die durch die Wechselwirkung entstehen, basieren auf Computersimulationen, deren Ergebnisse je nach den zugrunde liegenden physikalischen Details erheblich variieren.

„Bisher stützten sich Simulationen für Neutrino-Experimente, die diese Wechselwirkung nutzen, auf unsichere Extrapolationen aus älteren Messungen mit unterschiedlichen Energien und Zielkernen. Diese neue direkte Messung der Teilchenproduktion von 120-GeV-Protonen auf Kohlenstoff reduziert die Notwendigkeit dieser Extrapolationen.“ erklärt Eric Zimmerman, stellvertretender Sprecher von NA61/SHINE.

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Möchten Sie mehr über Neutrinos erfahren? Begleiten Sie CERN, Fermilab und die Sanford Underground Research Facility (SURF) zu einem interaktiven Livestream am 15. Juni um 18:00 Uhr MESZ.