Фізики з декількох колаборацій перевірили працездатність сучасних моделей нейтрино-ядерної взаємодії за допомогою експериментів з розсіювання електронів на ядрі. Така перевірка можлива завдяки тому, що у нейтрино і електрона багато загальних властивостей. Вчені з'ясували, що правильна реконструкція експерименту за допомогою модельних моделей відбувається менш ніж у половині випадків. Дослідження опубліковано в.
Осциляції нейтрино - це феномен, який найбільш виразно і достовірно виходить за рамки Стандартної моделі. У його основі лежить той факт, що участь цих частинок у слабких взаємодіях описується за допомогою одних квантових спостережуваних, а вільне поширення - за допомогою інших. У першому випадку мова йде про аромат (або флейворі) - квантовий число, що характеризує покоління лептонів, а в другому про їх масу (при цьому Стандартна модель передбачає нульову масу у всіх типів нейтрино). Це означає, що вільні нейтрино можна описати за допомогою суперпозиції станів з різними ароматами, баланс між якими осцилює з пройденим ними відстанями. Період цих осциляцій прямо пропорційний енергії нейтрино і назад пропорційний різниці квадратів мас. Детальніше про цей чудовий ефект ви можете прочитати в матеріалі «Н значить нейтрино».
Процес експериментального виявлення нейтрино завжди непрямий. Оскільки нейтрино беруть участь тільки в слабких взаємодіях, фізики ловлять їх по продуктах відповідних ядерних перетворень в детекторах, причому рахунок йде на десятки, рідше на сотні подій. Разом з тим нейтрино, народжувані у всіх відомих джерелах, завжди мають деякий енергетичний розподіл, який призводить до розподілу енергії у продуктів слабких реакцій. Реконструкція першого на основі другого вимагає хороших реакційних моделей, точність яких поки залишає бажати кращого.
Одна з причин цього в тому, що фізики не можуть створювати монохроматичні нейтринні пучки. Замість цього, вони тестують теорію в безпосередній близькості від джерел нейтрино. На жаль, невизначеності енергій, отримувані таким чином, стають занадто великими, коли доводиться досліджувати осциляції, оскільки ступінь перемішування до них чутливий. Це змушує вчених шукати нові підходи до перевірки моделей.
Фізики з колаборації CLAS об'єдналися з колегами з колаборації e4ºдля того, щоб перевірити працездатність нейтринних моделей при взаємодії електронних нейтрино з ядрами за допомогою електрону. Обидва лептона беруть участь у слабкій взаємодії за допомогою векторного струму схожим чином, хоча нейтрино несе ще додатковий аксіальний струм. Таким чином, будь-які моделі нейтринних взаємодій повинні бути легко перевірятися даними з електронних експериментів.
Експерименти з електронними пучками сильно перевершують нейтринні експерименти по гнучкості і кількості параметрів, які піддаються контролю. Автори використовували цей факт, щоб відтворити на електронному колайдері, розташованому в Лабораторії Томаса Джефферсона, умови, які спостерігаються у відомих нейтринних експериментах. На роль мішеней взяли ядра гелію, вуглецю і заліза, а електрони розганяли до енергій 1,159, 2,257 і 4,453 гігаелектронвольт. Дані, отримані на вуглецевих мішенях, релевантні результатами нейтринних експериментів зі сцинтиляторними детекторами, таких, як MINER^ A і NO^ A, і з водно-черенківськими детекторами, наприклад, Super-Kamiokande і Hyper-Kamiokande. Так само електронні експерименти на залізі можна порівнювати з аргоновими детекторами MicroBooNE і DUNE.
Фізики відбирали події з одним електроном, одним протоном і одним нейтральним піоном. У цьому процесі домінує квазіупруге розсіяння лептона (тобто розсіювання на тільки одному нуклоні ядра), яке вивчено найбільш добре, тому точно так само чинять при аналізі нейтринних експериментів. Автори відсівали події, що відповідають гальмівному випромінюванню електронів, а також схожі на шукані помилкові події, в яких деякі частинки не потрапили в детектор. Вони нормалізували підсумок на інтегральний заряд пучка і товщину мішені, а також вводили поправки, викликані заміною нейтрино на електрон.
Ці дані фізики порівнювали з результатом симуляції залежності диференційного перерізу від енергії, проведеної за допомогою двох моделей нейтринних взаємодій G2018 і SuSAv2, модифікованих для електронів. Вони застосовували обидві моделі для випадків водно-черенківських і калориметричних детекторів. Для першого випадку, коли сигнал фіксується тільки від заряджених частинок, SuSAv2 відтворила правильну ширину піку, але переоцінила перетин всього сигналу на 25 відсотків, а G2018 перевищила і звузила тільки пік. У другому випадку SuSAv2 точніше описувала пік, в той час як G2018 помилилася з його положенням. При цьому обидві моделі переоцінювали низькоенергетичний хвіст розподілу. Фізики вважають, що сумарно правильна реконструкція експерименту відбувалася менш, ніж у половині випадків.
Автори відзначають, що отримані ними результати сигналізують про можливі систематичні помилки, які будуть виникати в експериментах з нейтрино наступного покоління, викликаних недосконалістю наявних моделей. У свою чергу фізики збираються поліпшити характеристики свого спектрометра, щоб розширити детектований діапазон кутів і переданих імпульсів, а також тип мішеней.
Більш точні моделі можуть розкрити невидимі раніше систематичні похибки. Можливо, саме ці похибки відповідальні за множинні аномалії в нейтринних експериментах, для пояснення яких був введений новий тип нейтрино. Детальніше про це читайте в матеріалі «Чиста аномалія».