Neutrini su jedna od osnovnih čestica koje čine Svemir. U usporedbi s drugim vrstama čestica, oni imaju vrlo malu masu, bez naboja i međusobno komuniciraju samo slabom nuklearnom silom i gravitacijom. Stoga je pronalazak dokaza o nasljedničkim interakcijama izuzetno težak, pa su potrebni masivni instrumenti smješteni duboko pod zemljom kako bi se zaštitili od bilo kakvih smetnji.
Međutim, koristeći Sputlation Neutron Source (SNS), istraživačku ustanovu smještenu u Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - međunarodni tim istraživača nedavno je otkrio povijesno otkrivanje neutrina, potpuno drugačijom metodom. Kao dio pokusa COHERENT, ovi rezultati potvrđuju predviđanje prije 43 godine i nude nove mogućnosti za neutrino istraživanje.
Studija koja detaljno opisuje njihove nalaze, pod nazivom „Promatranje koherentnog elastičnog raspršivanja neutrinog jezgra“, nedavno je objavljena u časopisu Znanost, Istraživanje je provedeno u sklopu COHERENT eksperimenta, suradnje 80 istraživača iz 19 institucija iz više 4 zemlje koji su više od godinu dana pretraživali ono što je poznato kao koherentno elastično neutrino-nukleusno rasipanje (CEvNS).
Pronalazeći dokaze o ovom ponašanju, COHERENT je u biti napravio povijest. Kao Jason Newby, ORNL fizičar i tehnički koordinator za COHERENT, rekao je u izjavi za ORNL:
"Jedinstveni eksperiment fizike čestica u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge prvi je izmjerio koherentno rasipanje niskoenergetskih neutrina iz jezgara."
Da bi sve to razgradili, Standardni model fizike čestica kaže da su neutrini leptoni, čestica koja vrlo slabo komunicira s drugom materijom. Oni su stvoreni radioaktivnim raspadom, nuklearnim reakcijama koje pokreću zvijezde, i iz supernova. Model kosmologije Velikog praska također predviđa da su neutrini najobičnije čestice koje postoje, jer su nusprodukt stvaranja Svemira.
Kao takva, njihova studija bila je glavna žarišna točka za teorijske fizičare i kozmologe. U prethodnim studijama interakcije neutrina otkrivene su upotrebom doslovno tona ciljnog materijala i zatim ispitivanjem transformacija čestica koje su rezultat udaranja neutrina.
Primjeri uključuju opservatorij Super-Kamiokande u Japanu, podzemni objekt u kojem je ciljni materijal 50 000 tona ultračiste vode. U slučaju SNOLAB-ovog Neutrinog opservatorija u Sudburyju - koji se nalazi u bivšem rudničkom kompleksu u blizini Sudburyja, Ontario - neutronski detektor SNO oslanja se na tešku vodu za otkrivanje neutrina, dok će eksperiment SNO + koristiti tekući scintilator.
I Neutrino opservatorij IceCube - najveći neutrinski detektor na svijetu, smješten na stanici Južni pol Amundsen – Scott na Antarktiku - oslanja se na led Antarktika kako bi otkrio interakcije neutrina. U svim su slučajevima postrojenja izuzetno izolirana i oslanjaju se na vrlo skupu opremu.
COHERENT eksperiment je, međutim, neizmjerno manji i ekonomičniji za usporedbu, teži samo 14,5 kg (32 lbs) i zauzima mnogo manje na putu prostora. Eksperiment je kreiran kako bi iskoristio prednost postojećeg sustava temeljenog na akceleratorima SNS-a, koji proizvodi najintenzivnije impulse zračenja neutrona na svijetu kako bi razbio atome žive u snopovima protona.
U ovom se procesu stvaraju ogromne količine neutrona koji se koriste u raznim znanstvenim eksperimentima. Međutim, proces također stvara znatnu količinu neutrina kao nusprodukta. Kako bi to iskoristili, COHERENT tim počeo je razvijati neutrino eksperiment poznat kao "neutrino aleja". Smješteni u podrumskom hodniku samo 20 metara (45 stopa) od spremnika žive, debeli betonski zidovi i šljunak pružaju prirodnu zaštitu.
Hodnik je također opremljen velikim spremnicima vode za blokiranje dodatnih neutrina, kozmičkih zraka i drugih čestica. Ali za razliku od drugih pokusa, COHERENT detektori traže znakove da neutrini upadaju u jezgre drugih atoma. Da bi to učinili, tim je opremio hodnik detektorima koji se oslanjaju na kristal scintilatora cezijevog jodida, koji također koristi odijum za povećanje vidljivosti svjetlosnih signala izazvanih neutrinskim interakcijama.
Juan Collar, fizičar sa Sveučilišta u Chicagu, vodio je tim koji je stvorio detektor korišten u SNS-u. Kako je objasnio, ovo je bio pristup „natrag osnovama“ koji je ukinuo skuplje i masovnije detektore:
"Oni su vjerojatno većina pješačkih vrsta detektora zračenja na raspolaganju, već stoljećima. Natrijum cezijev jodid spaja sva svojstva potrebna za rad kao mali, "ručni" koherentni neutrino detektor. Vrlo često manje je više. "
Zahvaljujući njihovom eksperimentu i sofisticiranosti SNS-a, istraživači su uspjeli utvrditi da su neutrini sposobni spojiti se s kvarkovima razmjenom neutralnih Z-bozona. Ovaj postupak, poznat pod nazivom koherentno elastično raspršivanje neutrino-nukleusa (CEvNS), prvi je put bio predviđen 1973. Ali do sada niti jedan eksperiment ili istraživački tim nisu ga uspjeli potvrditi.
Kao što je Jason Newby naznačio, eksperiment je uspio velikim dijelom zahvaljujući sofisticiranosti postojećeg prostora. "Energija SNS neutrinosa gotovo je savršeno podešena za ovaj eksperiment - dovoljno velika da stvori signal koji se može detektirati, ali dovoljno mali da iskoristi koherentan uvjet", rekao je. "Jedini pištolj za pušenje ove interakcije je mala količina energije koja je dodijeljena jednom jezgru."
Podaci koje je proizveli također su čišći nego u prethodnim eksperimentima, budući da su i neutrini (poput SNS neutronske zrake koji ih je proizveli) također pulsirali. To je omogućilo lako odvajanje signala od pozadinskih signala, što je nudilo prednost u odnosu na izvore neutrina u stalnom stanju - poput onih koje proizvode nuklearni reaktori.
Tim je također otkrio tri "okusa" neutrina, koji uključuju muonske neutrine, muonske antineutrine i elektronske neutrine. Dok su se muonski neutrini pojavili trenutno, ostali su detektirani nekoliko mikrosekundi kasnije. Iz toga je tim COHERENT-a ne samo potvrdio teoriju CEvNS-a, već i Standardni model fizike čestica. Njihova otkrića također imaju posljedice za astrofiziku i kozmologiju.
Kako je objasnila Kate Scholberg, fizičarka sa Sveučilišta Duke i glasnogovornica COHERENT-a:
"Kad se masivna zvijezda sruši i potom eksplodira, neutrini izbacuju ogromnu energiju u zvjezdanu ovojnicu. Razumijevanje procesa omogućuje razumijevanje načina na koji se ti dramatični događaji događaju ... Podaci COHERENT-a pomoći će u interpretaciji mjerenja neutrinskih svojstava eksperimentima širom svijeta. Možda ćemo također moći koristiti koherentno rasipanje kako bismo bolje razumjeli strukturu jezgre. "
Iako nema potrebe za daljnjim potvrđivanjem njihovih rezultata, istraživači COHERENT-a planiraju provesti dodatna mjerenja kako bi promatrali koherentne interakcije neutrina s različitim brzinama (još jedan potpis postupka). Iz ovoga se nadaju da će proširiti svoje znanje o prirodi CEvNS-a, kao i o drugim osnovnim neutrinskim svojstvima - poput njihovog svojstvenog magnetizma.
Ovo je otkriće samo po sebi bilo impresivno s obzirom da potvrđuje aspekt i Standardnog modela fizike čestica i kozmologije Velikog praska. Ali činjenica da metoda nudi čistije rezultate i da se oslanja na instrumente koji su značajno manji i jeftiniji od ostalih pokusa - to je vrlo impresivno!
Posljedice ovoga istraživanja zasigurno su dalekosežne, a bit će zanimljivo vidjeti koja druga otkrića omogućuju u budućnosti!
