Neutrina są jedną z podstawowych cząstek, które tworzą Wszechświat. W porównaniu z innymi rodzajami cząstek mają bardzo małą masę, nie mają ładunku i oddziałują tylko z innymi za pomocą słabej siły jądrowej i grawitacji. W związku z tym znalezienie dowodów na oddziaływanie spadkobierców jest niezwykle trudne, wymagając masywnych instrumentów umieszczonych głęboko pod ziemią, aby chronić je przed wszelkimi zakłóceniami.
Jednak korzystając ze Spallation Neutron Source (SNS), ośrodka badawczego zlokalizowanego w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - międzynarodowy zespół badaczy dokonał niedawno historycznego odkrycia na temat neutrin przy użyciu zupełnie innej metody. W ramach eksperymentu COHERENT wyniki te potwierdzają prognozę sprzed 43 lat i oferują nowe możliwości badań nad neutrinami.
Badanie, które szczegółowo opisuje ich odkrycia, zatytułowane „Obserwacja spójnego elastycznego rozpraszania neutrino-jąder”, zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie Nauka. Badania zostały przeprowadzone w ramach eksperymentu COHERENT, współpracy 80 badaczy z 19 instytucji z więcej 4 krajów, która od ponad roku szuka tego, co jest znane jako Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS).
Znajdując dowody takiego zachowania, COHERENT zasadniczo przeszedł do historii. Jak powiedział Jason Newby, fizyk ORNL i koordynator techniczny COHERENT w oświadczeniu prasowym ORNL:
„Jedyny w swoim rodzaju eksperyment fizyki cząstek w Oak Ridge National Laboratory był pierwszym, który zmierzył spójne rozpraszanie niskoenergetycznych neutrin poza jądrami.”
Aby to wszystko rozbić, Standardowy Model fizyki cząstek wskazuje, że neutrina są leptonami, cząstkami, które bardzo słabo oddziałują z innymi materiami. Są one tworzone przez rozpad radioaktywny, reakcje jądrowe zasilające gwiazdy oraz z supernowych. Model kosmologii Wielkiego Wybuchu przewiduje również, że neutrina są najliczniej występującymi cząsteczkami, ponieważ są produktem ubocznym stworzenia Wszechświata.
Jako takie, ich badania były głównym punktem zainteresowania fizyków teoretycznych i kosmologów. W poprzednich badaniach wykryto interakcje neutrin przy użyciu dosłownie ton materiału docelowego, a następnie zbadano transformacje cząstek wynikające z uderzenia w nie neutrin.
Przykłady obejmują obserwatorium Super-Kamiokande w Japonii, podziemny obiekt, w którym docelowym materiałem jest 50 000 ton ultraczystej wody. W przypadku obserwatorium Sudbury Neutrino w SNOLAB, które znajduje się w byłym kompleksie kopalni w pobliżu Sudbury w Ontario, detektor neutrin SNO wykorzystuje ciężką wodę do wykrywania neutrin, podczas gdy eksperyment SNO + wykorzysta scyntylator cieczowy.
A Obserwatorium Neutrino IceCube - największy detektor neutrin na świecie, zlokalizowany na stacji bieguna południowego Amundsen – Scott na Antarktydzie - polega na lodzie antarktycznym do wykrywania interakcji neutrin. We wszystkich przypadkach obiekty są wyjątkowo izolowane i opierają się na bardzo drogim sprzęcie.
Eksperyment COHERENT jest jednak znacznie mniejszy i bardziej ekonomiczny w porównaniu z nim, waży zaledwie 14,5 kg (32 funty) i zajmuje znacznie mniej miejsca. Eksperyment powstał, aby wykorzystać istniejący system oparty na akceleratorze SNS, który wytwarza najbardziej intensywne pulsujące wiązki neutronowe na świecie w celu rozbicia atomów rtęci wiązkami protonów.
Proces ten wytwarza ogromne ilości neutronów, które są wykorzystywane do różnych eksperymentów naukowych. Jednak proces ten tworzy również znaczną ilość neutrin jako produktu ubocznego. Aby to wykorzystać, zespół COHERENT rozpoczął opracowywanie eksperymentu z neutrinami znanego jako „aleja neutrin”. Grube betonowe ściany i żwir, umieszczone w korytarzu piwnicy, zaledwie 20 metrów od zbiornika rtęci, zapewniają naturalną osłonę.
Korytarz jest również wyposażony w duże zbiorniki na wodę, aby blokować dodatkowe neutrina, promienie kosmiczne i inne cząstki. Ale w przeciwieństwie do innych eksperymentów detektory COHERENT szukają oznak neutrin zderzających się z jądrami innych atomów. Aby to zrobić, zespół wyposażył korytarz w detektory, które opierają się na krysztale scyntylatora jodku cezu, który również wykorzystuje odium do zwiększenia znaczenia sygnałów świetlnych powodowanych przez interakcje neutrin.
Juan Collar, fizyk z University of Chicago, kierował zespołem projektowym, który stworzył detektor używany w SNS. Jak wyjaśnił, było to podejście „powrót do podstaw”, które wyeliminowało droższe i masywniejsze detektory:
„Są prawdopodobnie najbardziej dostępnym wykrywaczem promieniowania dla pieszych, dostępnym od około stu lat. Jodek cezu z domieszką sodu łączy wszystkie właściwości wymagane do pracy jako mały, „ręczny” spójny detektor neutrin. Bardzo często mniej znaczy więcej. ”
Dzięki eksperymentowi i wyrafinowaniu SNS badacze byli w stanie ustalić, że neutrina są zdolne do sprzęgania się z kwarkami poprzez wymianę neutralnych bozonów Z. Proces ten, znany jako Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), został po raz pierwszy przewidziany w 1973 r. Jednak do tej pory żaden eksperyment ani zespół badawczy nie był w stanie go potwierdzić.
Jak wskazał Jason Newby, eksperyment udał się w dużej mierze dzięki zaawansowaniu istniejącego obiektu. „Energia neutrin SNS jest prawie idealnie dostrojona do tego eksperymentu - wystarczająco duża, aby stworzyć wykrywalny sygnał, ale wystarczająco mała, aby skorzystać z warunku koherencji” - powiedział. „Jedynym działkiem dymu interakcji jest niewielka ilość energii przekazywana do pojedynczego jądra”.
Wytworzone przez niego dane były również czystsze niż w poprzednich eksperymentach, ponieważ neutrina (takie jak wytwarzająca je wiązka neutronowa SNS) również pulsowały. Umożliwiło to łatwe oddzielenie sygnału od sygnałów tła, co stanowiło przewagę nad źródłami neutrin w stanie ustalonym - takimi jak te wytwarzane przez reaktory jądrowe.
Zespół wykrył również trzy „smaki” neutrin, w tym neutrina mionowe, antyneutrina mionowe i neutrina elektronowe. Podczas gdy neutrina mionowe pojawiły się natychmiast, pozostałe wykryto kilka mikrosekund później. Na tej podstawie zespół COHERENT potwierdził nie tylko teorię CEvNS, ale także model standardowy fizyki cząstek. Ich odkrycia mają również wpływ na astrofizykę i kosmologię.
Jak wyjaśniła Kate Scholberg, fizyk z Duke University i rzecznik COHERENT:
„Kiedy masywna gwiazda zapada się, a następnie eksploduje, neutrina zrzucają ogromną energię do obwiedni gwiazdy. Zrozumienie tego procesu pozwala zrozumieć, jak zachodzą te dramatyczne zdarzenia… Dane COHERENT pomogą w interpretacji pomiarów właściwości neutrin przez eksperymenty na całym świecie. Możemy również być w stanie zastosować spójne rozpraszanie, aby lepiej zrozumieć strukturę jądra. ”
Chociaż nie ma potrzeby dalszego potwierdzania ich wyników, badacze z projektu COHERENT planują przeprowadzić dodatkowe pomiary w celu zaobserwowania spójnych interakcji neutrin z różną szybkością (kolejna sygnatura procesu). Dzięki temu mają nadzieję poszerzyć swoją wiedzę na temat natury CEvNS, a także innych podstawowych właściwości neutrin - takich jak ich wewnętrzny magnetyzm.
To odkrycie było z pewnością imponujące samo w sobie, biorąc pod uwagę, że potwierdza aspekt zarówno Standardowego Modelu fizyki cząstek, jak i kosmologii Wielkiego Wybuchu. Ale fakt, że metoda oferuje czystsze wyniki i opiera się na instrumentach, które są znacznie mniejsze i tańsze niż inne eksperymenty - to bardzo imponujące!
Implikacje tych badań z pewnością będą dalekosiężne i ciekawe będzie, jakie inne odkrycia umożliwi w przyszłości!
