《自然》杂志：更新中微子模型的必要性
中微子可能是最终解开物质主导的宇宙起源之谜的关键，两个耗资数十亿美元的大型实验的准备工作正在进行中，以揭示这些粒子的秘密。
现在，一组核物理学家已经转向不起眼的电子，为这些实验如何更好地准备捕获关键信息提供见解。他们的研究是在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的，最近发表在《自然》杂志上。研究表明，为了实现高精度的实验结果，需要对中微子模型进行重大更新。
威廉和玛丽团队的成员——也是《自然》论文的合著者——是2021年获得物理学博士学位的蒂莫西·b·海沃德（Timothy B. Hayward）和他的博士导师、该大学物理系教授基思·a·格里菲斯（Keith a . Griffioen）。威廉和玛丽物理系的其他成员也参与了许多其他中微子实验。
中微子无处不在，宇宙中的恒星产生了大量的中微子。虽然普遍存在，但这些害羞的粒子很少与物质相互作用，这使得它们很难研究。
“中微子从一种类型转变为另一种类型，这种现象被称为中微子振荡。研究这种现象很有趣，因为它还没有被很好地理解，”该研究的共同主要作者、老道明大学的研究生玛丽安娜·哈查特莱恩说。
研究中微子振荡的一种方法是建造巨大的超灵敏探测器来测量地下深处的中微子。这种探测器通常含有具有大原子核的致密物质，因此中微子更有可能与它们相互作用。这种相互作用触发了一系列其他粒子，这些粒子被探测器记录下来。物理学家，包括威廉玛丽大学物理系的几位教员和他们的学生，可以利用这些数据梳理出有关中微子的信息。
“中微子物理学家的方法是测量中微子与原子核相互作用产生的所有粒子，重建入射的中微子能量，以更多地了解中微子及其振荡，并非常非常精确地测量它们，”该研究的联系作者阿迪·阿什肯纳齐（Adi Ashkenazi）解释说，他是麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的一名研究学者，参与了这个项目。她现在是特拉维夫大学的高级讲师。
“探测器是由重核组成的，中微子与这些原子核的相互作用实际上是非常复杂的相互作用，”Ashkenazi说。“这些中微子能量重建方法仍然非常具有挑战性，我们的工作是改进我们用来描述它们的模型。”
这些方法包括用一个叫做GENIE的理论模拟来模拟相互作用，使物理学家能够推断入射中微子的能量。GENIE是许多模型的混合体，每个模型都能帮助物理学家重现中微子与原子核之间相互作用的某些方面。由于对中微子知之甚少，因此很难直接测试GENIE，以确保它能够从未来的中微子实验（如深地下中微子实验（DUNE）或超级神冈实验）提供的新数据中产生准确和高精度的结果。
为了测试GENIE，研究小组转向了一种不起眼的粒子，核物理学家对它了解得更多：电子。
“这利用了电子和中微子之间的相似性。我们正在使用电子研究来验证中微子-原子核相互作用模型。”
中微子和电子有许多共同之处。它们都属于被称为轻子的亚原子粒子族，所以它们都是不受强作用力影响的基本粒子——强作用力是已知的四种基本相互作用之一；其他的是电磁力，弱力和重力。
在这项研究中，研究小组使用了电子散射版本的GENIE，被称为e-GENIE，来测试中微子研究人员将使用的相同的入射能量重建算法。他们没有使用中微子，而是使用了最近的电子结果。
阿什肯纳齐说：“人们对电子的研究已有多年，电子束具有非常精确的能量。”“我们了解他们的能量。当我们试图重构入射能量时，我们可以将其与已知的进行比较。我们可以测试我们的方法在不同能量下的效果，这是中微子无法做到的。”
该研究的输入数据来自杰斐逊佳博体育连续电子束加速器设施的CLAS探测器进行的实验，该设施是美国能源部的用户设施。CEBAF是世界上最先进的电子加速器，用于探测物质的本质。研究小组使用的数据直接反映了中微子实验中要研究的最简单的情况：从氦、碳和铁的原子核中产生电子和质子（相对于介子和质子）的相互作用。这些原子核类似于中微子实验探测器中使用的材料。
此外，该小组还努力确保GENIE的电子版本尽可能与中微子版本平行。
“我们使用了与中微子实验完全相同的模拟，并且我们使用了相同的修正，”该研究的共同主要作者，麻省理工学院的研究生Afroditi Papadopoulou解释说，他也是Hen的研究小组的一员。“如果这个模型不适用于电子，我们讨论的是最简化的情况，那么它永远也不适用于中微子。”
即使在这种最简单的情况下，精确的建模也是至关重要的，因为来自电子-核相互作用的原始数据通常不到一半的时间就能重建出正确的入射电子束能量。一个好的模型可以解释这种影响并修正数据。
然而，当使用GENIE对这些数据事件进行建模时，它的表现甚至更差。
“这可能会影响中微子振荡的结果。我们的模拟必须能够用已知的电子束能量重现我们的电子数据，然后我们才能相信它们在中微子实验中是准确的，”Papadopoulou说。
Khachatryan同意了。
他说：“结果实际上是指出，这些能量重建方法和模型有一些方面需要改进。“这也为未来的实验提供了一条实现这一目标的途径。”
这项研究的下一步是测试中微子研究人员感兴趣的特定目标原子核和更广泛的入射电子能量谱。有了这些可以直接比较的具体结果，将有助于中微子研究人员微调他们的模型。
根据研究小组的说法，目标是在数据和模型之间实现广泛的一致性，这将有助于确保DUNE和Hyper-Kamiokande能够达到预期的高精度结果。
