Neutrinii sunt una dintre particulele fundamentale care alcătuiesc Universul. În comparație cu alte tipuri de particule, acestea au o masă foarte mică, fără sarcină și interacționează doar cu alte persoane prin forța nucleară slabă și gravitația. Ca atare, găsirea dovezilor de interacțiuni moștenitoare este extrem de dificilă, fiind nevoie de instrumente masive amplasate în subteran pentru a le proteja de orice interferență.
Cu toate acestea, folosind Spalation Neutron Source (SNS), o instalație de cercetare situată la Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - o echipă internațională de cercetători a făcut recent o descoperire istorică despre neutrini folosind o metodă cu totul diferită. În cadrul experimentului COHERENT, aceste rezultate confirmă o predicție făcută acum 43 de ani și oferă noi posibilități pentru cercetarea neutrinelor.
Studiul care detaliază descoperirile lor, intitulat „Observarea unei împrăștieri coerente de neutrino-nucleu”, a fost publicat recent în jurnal Ştiinţă. Cercetarea a fost realizată ca parte a experimentului COHERENT, o colaborare a 80 de cercetători din 19 instituții din mai mult de 4 națiuni care a căutat ceea ce este cunoscut sub numele de Coatine Elutice Neutrino-Nucleu Scattering (CEvNS) de peste un an.
În găsirea dovezilor acestui comportament, COHERENT a făcut, în esență, istorie. După cum a spus Jason Newby, fizician ORNL și coordonator tehnic pentru COHERENT, într-o declarație de presă ORNL:
„Unul dintre experimentele de fizică a particulelor de la Laboratorul Național Oak Ridge a fost primul care a măsurat împrăștierea coerentă a neutrinilor cu consum redus de energie din nuclee.”
Pentru a descompune totul, modelul standard al fizicii particulelor indică faptul că neutrinii sunt leptoni, o particulă care interacționează foarte slab cu alte materii. Sunt create prin descompunerea radioactivă, reacțiile nucleare care stau la putere și din supernove. Modelul de cosmologie Big Bang prevede, de asemenea, că neutrinii sunt cele mai abundente particule existente, deoarece sunt un produs secundar al creației Universului.
Ca atare, studiul lor a fost un punct focal major pentru fizicieni și cosmologi teoretici. În studiile anterioare, interacțiunile neutrino-ului au fost detectate folosind literalmente tone de material țintă și apoi examinarea transformărilor de particule rezultate din lovirea neutrinilor.
Exemple includ Observatorul Super-Kamiokande din Japonia, o instalație subterană în care materialul țintă este 50.000 tone de apă ultrapură. În cazul observației Sudbury Neutrino a SNOLAB - care se află într-un fost complex de mină în apropiere de Sudbury, Ontario - detectorul de neutrini SNO se bazează pe apă grea pentru detectarea neutrinilor, în timp ce experimentul SNO + va folosi un scintilator lichid.
Iar IceCube Neutrino Observatory - cel mai mare detector de neutrini din lume, situat la Amundsen-Scott South Pol Station în Antarctica - se bazează pe gheața Antarctică pentru a detecta interacțiunile neutrino. În toate cazurile, instalațiile sunt extrem de izolate și se bazează pe un echipament foarte scump.
Totuși, experimentul COHERENT este imens mai mic și mai economic prin comparație, cântărind doar 14,5 kg (32 lbs) și ocupând mult mai puțin în calea spațiului. Experimentul a fost creat pentru a profita de sistemul existent pe bază de accelerator SNS, care produce cele mai intense fascicule de neutron pulsat din lume pentru a zdrobi atomii de mercur cu fascicule de protoni.
Acest proces creează cantități masive de neutroni care sunt folosiți pentru diferite experimente științifice. Cu toate acestea, procesul creează, de asemenea, o cantitate semnificativă de neutrini ca produs secundar. Pentru a profita de aceasta, echipa COHERENT a început să dezvolte un experiment cu neutrino cunoscut sub numele de „ale neutrino”. Situate pe un coridor al subsolului la doar 20 de metri (45 de picioare) de rezervorul de mercur, pereții groși de beton și pietrișul oferă ecranare naturală.
Coridorul este, de asemenea, prevăzut cu rezervoare mari de apă pentru a bloca suplimentar neutrini, raze cosmice și alte particule. Dar, spre deosebire de alte experimente, detectoarele COHERENT caută semne de lovire a neutrinilor în nucleele altor atomi. Pentru a face acest lucru, echipa a echipat coridorul cu detectoare care se bazează pe un cristal de scintilator cu iodură de cesiu, care folosește și odiu pentru a crește proeminența semnalelor luminoase cauzate de interacțiunile neutrino.
Juan Collar, fizician de la Universitatea din Chicago, a condus echipa de proiectare care a creat detectorul folosit la SNS. După cum a explicat, aceasta a fost o abordare „bazată pe elementele de bază”, care a eliminat detectoarele mai scumpe și masive:
„Este, probabil, cel mai pietonal tip de detector de radiații disponibil, de aproximativ un secol. Iodură de cesiu dopată cu sodiu îmbină toate proprietățile necesare pentru a funcționa ca un mic detector de neutrino coerent „handheld”. Foarte des, mai puțin este mai mult. "
Datorită experimentului lor și a sofisticării SNS, cercetătorii au putut să stabilească că neutrinii sunt capabili să se cupleze la quarkuri prin schimbul de bosonii Z neutri. Acest proces, cunoscut sub numele de Coerent Elastica Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), a fost prevăzut pentru prima dată în 1973. Dar până acum, nicio experiență sau echipă de cercetare nu a fost în măsură să-l confirme.
După cum a indicat Jason Newby, experimentul a reușit în mare parte datorită sofisticării instalației existente. "Energia neutrinilor SNS este aproape perfect reglată pentru acest experiment - suficient de mare pentru a crea un semnal detectabil, dar suficient de mică pentru a profita de condiția de coerență", a spus el. „Singura armă de fumat a interacțiunii este o cantitate mică de energie distribuită unui singur nucleu.”
Datele pe care le-a produs au fost, de asemenea, mai curate decât în experimentele anterioare, deoarece neutrinii (precum fasciculul de neutroni SNS care le-a produs) au fost de asemenea pulsate. Aceasta a permis separarea ușoară a semnalului de semnalele de fundal, ceea ce oferea un avantaj față de sursele de neutrino în stare constantă - cum ar fi cele produse de reactoarele nucleare.
Echipa a detectat, de asemenea, trei „arome” de neutrino, care au inclus neutrino-uri muon, antineutrinoase muon și neutrino-uri electronice. În timp ce neutrinii muoni au apărut instantaneu, ceilalți au fost detectați câteva microsecunde mai târziu. Din aceasta, echipa COHERENT nu a validat doar teoria CEvNS, ci și Modelul Standard al fizicii particulelor. Descoperirile lor au, de asemenea, implicații pentru astrofizică și cosmologie.
După cum a explicat Kate Scholberg, fizician de la Duke University și purtătorul de cuvânt al COHERENT:
„Când o stea masivă se prăbușește și apoi explodează, neutrinii aruncă enormă energie în plicul stelar. Înțelegerea procesului contribuie la înțelegerea modului în care se întâmplă aceste evenimente dramatice ... Datele COHERENT vor ajuta la interpretarea măsurătorilor proprietăților neutrino prin experimente la nivel mondial. Este posibil să putem folosi, de asemenea, împrăștiere coerentă pentru a înțelege mai bine structura nucleului. ”
Deși nu este nevoie de o confirmare suplimentară a rezultatelor acestora, cercetătorii COHERENT intenționează să efectueze măsurători suplimentare pentru a observa interacțiuni coerente de neutrino la viteze distincte (o altă semnătură a procesului). Din aceasta, ei speră să-și extindă cunoștințele despre natura CEvNS, precum și alte proprietăți de bază ale neutrinilor - cum ar fi magnetismul lor intrinsec.
Această descoperire a fost cu siguranță impresionantă în sine, având în vedere că validează un aspect atât al Modelului Standard al fizicii particulelor, cât și al cosmologiei Big Bang. Dar faptul că metoda oferă rezultate mai curate și se bazează pe instrumente semnificativ mai mici și mai puțin costisitoare decât alte experimente - este foarte impresionant!
Implicațiile acestei cercetări sunt sigure că sunt de anvergură și va fi interesant de văzut ce alte descoperiri permite în viitor!
