Неутрино са една от основните частици, съставляващи Вселената. В сравнение с други видове частици, те имат много малка маса, без заряд и взаимодействат с другите само чрез слабата ядрена сила и гравитацията. По този начин намирането на доказателства за взаимодействия между наследници е изключително трудно, за което са необходими масивни инструменти, разположени дълбоко под земята, за да ги предпазват от всякакви смущения.
Въпреки това, използвайки Spallation Neutron Source (SNS), изследователска база, разположена в Националната лаборатория на Оук Ридж (ORNL) - международен екип от изследователи наскоро направи историческо откритие за неутрино, използвайки съвсем различен метод. Като част от експеримента КОХЕРЕНТ тези резултати потвърждават прогноза, направена преди 43 години, и предлага нови възможности за изследване на неутрино.
Изследването, което подробно описва техните открития, озаглавено „Наблюдение на кохерентно еластично разсейване на неутрино-ядро“, беше наскоро публикувано в списанието наука, Изследването е проведено като част от експеримента КОХЕРЕНТ, съвместна работа на 80 изследователи от 19 институции от повече 4 нации, които търсят това, което е известно като Кохерентно еластично неутрино-нуклеусно разсейване (CEvNS) повече от година.
В намирането на доказателства за това поведение COHERENT по същество е направил история. Както Джейсън Нюби, физик на ORNL и техническият координатор за COHERENT, заяви в съобщение за пресата на ORNL:
„Единственият по рода си експеримент по физика на частици в Националната лаборатория на Оук Ридж бе първият, който измерва кохерентното разсейване на нитроенергийните неутрино от ядра.“
За да го разрушим, Стандартният модел на физиката на частиците показва, че неутрино са лептони, частица, която взаимодейства с друга материя много слабо. Те са създадени чрез радиоактивен разпад, ядрените реакции, които захранват звездите, и от свръхновите. Моделът на космологията на Големия взрив също предвижда, че неутрино са най-разпространените частици в съществуването, тъй като те са страничен продукт от създаването на Вселената.
Като такова, тяхното изследване е било основна фокусна точка за теоретичните физици и космолозите. В предишни проучвания, неутрино взаимодействията бяха открити чрез използване на буквално тонове целеви материал и след това изследване на трансформациите на частиците, които са резултат от неутрино удрянето им.
Примерите включват обсерваторията Super-Kamiokande в Япония, подземно съоръжение, където целевият материал е 50 000 тона ултрачиста вода. В случая на обсерваторията за неутрино в Съдбъри на SNOLAB - която се намира в бивш минен комплекс близо до Съдбъри, Онтарио - детекторът за неутрино SNO разчита на тежка вода за откриване на неутрино, докато експериментът SNO + ще използва течен сцинтилатор.
А обсерваторията на Neutrino IceCube - най-големият неутрино детектор в света, разположена на станцията на южния полюс Амундсен-Скот в Антарктида - разчита на лед Антарктик за откриване на взаимодействия на неутрино. Във всички случаи съоръженията са изключително изолирани и разчитат на много скъпо оборудване.
Експериментът COHERENT обаче е изключително малък и по-икономичен за сравнение, тежи само 14,5 кг (32 фунта) и заема далеч по-малко на пътя на пространството. Експериментът е създаден, за да се възползва от съществуващата система, базирана на ускорител на SNS, която произвежда най-интензивните импулсни неутронни лъчи в света, за да разбие живачни атоми с лъчи протони.
Този процес създава огромно количество неутрони, които се използват за различни научни експерименти. Процесът обаче също създава значително количество неутрино като страничен продукт. За да се възползва от това, екипът на COHERENT започна разработването на неутрино експеримент, известен като „неутрино алея“. Разположени в коридор на мазето само на 20 метра (45 фута) от резервоара с живак, дебелите бетонни стени и чакъл осигуряват естествена защита.
Коридорът е оборудван и с големи резервоари за вода, които да блокират допълнителни неутрино, космически лъчи и други частици. Но за разлика от други експерименти, детекторите COHERENT търсят признаци на неутрино, нахлуващи в ядрата на други атоми. За да направите това, екипът оборудва коридора с детектори, които разчитат на кристал сцинтилатор на цезиев йодид, който също използва одиум за увеличаване на известността на светлинните сигнали, причинени от неутрино взаимодействия.
Хуан Колар, физик от Чикагския университет, ръководи дизайнерския екип, който създаде детектора, използван в SNS. Както той обясни, това беше подход „назад към основите“, който премахна по-скъпите и масивни детектори:
„Те са може би най-пешеходният вид детектор на радиация, който съществува от един век. Натриевият цезиев йодид, легиран с натрий, обединява всички свойства, необходими за работа като малък, „ръчен“ кохерентен детектор за неутрино. Много често по-малкото е повече. “
Благодарение на експеримента си и изтънчеността на SNS, изследователите успяха да определят, че неутрино са в състояние да се свържат с кварки чрез обмен на неутрални Z бозони. Този процес, известен като кохерентно еластично неутрино-ядрено разсейване (CEvNS), за първи път е предсказан през 1973 г. Но досега никой експеримент или изследователски екип не успя да го потвърди.
Както Джейсън Нюби посочи, експериментът успя в голяма степен благодарение на изтънчеността на съществуващото съоръжение. "Енергията на SNS неутрино е почти перфектно настроена за този експеримент - достатъчно голяма, за да създаде детектируем сигнал, но достатъчно малка, за да се възползва от условието за съгласуваност", каза той. "Единственият пистолет за тютюнопушене на взаимодействието е малко количество енергия, отделяна за едно ядро."
Дадените от него данни също бяха по-чисти, отколкото при предишни експерименти, тъй като неутрините (подобно на неутронния лъч на SNS, които ги произвеждаха) също бяха импулсни. Това позволи лесното отделяне на сигнала от фоновите сигнали, което предложи предимство пред източниците на неутрино в стационарно състояние - като тези, които се произвеждат от ядрени реактори.
Екипът откри и три „аромата“ на неутрино, включващи муонни неутрино, муонни антинейтрино и електронни неутрино. Докато муонните неутрино се появиха моментално, останалите бяха открити няколко микросекунди по-късно. От това екипът на COHERENT не само утвърди теорията на CEvNS, но и Стандартния модел на физиката на частиците. Техните открития също имат отражение върху астрофизиката и космологията.
Както обясни Кейт Шолбърг, физик от университета Дюк и говорител на COHERENT:
„Когато масивна звезда се срине и след това избухне, неутрино изхвърля огромна енергия в звездната обвивка. Разбирането на процеса дава разбиране за това как се случват тези драматични събития ... Данните на COHERENT ще помогнат за интерпретация на измерванията на неутрино свойства чрез експерименти по целия свят. Може също да можем да използваме кохерентно разсейване, за да разберем по-добре структурата на ядрото. "
Въпреки че няма нужда от допълнително потвърждаване на техните резултати, изследователите КОХЕРЕНТ планират да проведат допълнителни измервания, за да наблюдават кохерентни неутрино взаимодействия с различна скорост (друг подпис на процеса). От това те се надяват да разширят познанията си за същността на CEvNS, както и за други основни свойства на неутрино - като техния вътрешен магнетизъм.
Това откритие със сигурност беше впечатляващо само по себе си, като се има предвид, че валидира аспект както на Стандартния модел на физиката на частиците, така и на космологията на Големия взрив. Но фактът, че методът предлага по-чисти резултати и разчита на инструменти, които са значително по-малки и по-евтини от другите експерименти - това е много впечатляващо!
Последиците от това изследване със сигурност ще бъдат мащабни и ще бъде интересно да се видят какви други открития дава в бъдеще!
