Neutrína sú jednou zo základných častíc, ktoré tvoria vesmír. V porovnaní s inými druhmi častíc majú veľmi malú hmotnosť, žiadne náboje a interagujú s ostatnými iba prostredníctvom slabej jadrovej sily a gravitácie. Preto je hľadanie dôkazov o interakciách dediča mimoriadne ťažké a vyžaduje si, aby boli nástroje umiestnené hlboko pod zemou, aby ich chránili pred akýmkoľvek rušením.
Avšak pomocou výskumného zariadenia Spallation Neutron Source (SNS), ktoré sa nachádza v Národnom laboratóriu Oak Ridge (ORNL) - medzinárodný tím vedcov nedávno urobil historický objav o neutrínach pomocou úplne inej metódy. V rámci experimentu COHERENT tieto výsledky potvrdzujú predikciu uskutočnenú pred 43 rokmi a ponúkajú nové možnosti pre výskum neutrínu.
Štúdia, ktorá podrobne popisuje ich zistenia s názvom „Pozorovanie koherentného elastického rozptylu neutrínových jadier“, bola nedávno uverejnená v časopise. veda, Výskum sa uskutočnil ako súčasť experimentu KOHERENT, v spolupráci s 80 výskumníkmi z 19 inštitúcií z viac ako 4 krajín, ktoré už viac ako rok hľadajú tzv. Koherentný elastický rozptyl neutrínových jadier (CEvNS).
Pri hľadaní dôkazov o tomto správaní COHERENT urobil v podstate históriu. Jason Newby, fyzik ORNL a technický koordinátor COHERENT, uviedol v tlačovom vyhlásení spoločnosti ORNL:
„Jedinečný experiment fyziky častíc v Národnom laboratóriu Oak Ridge bol prvým meradlom koherentného rozptylu nízkoenergetických neutrín mimo jadier.“
Aby sme to všetko prelomili, štandardný model fyziky častíc naznačuje, že neutrína sú leptóny, častice, ktoré veľmi slabo interagujú s inými látkami. Sú vytvárané rádioaktívnym rozkladom, jadrovými reakciami, ktoré poháňajú hviezdy, a zo supernov. Kozmologický model Veľkého tresku tiež predpovedá, že neutrína sú najčastejšie prítomnými časticami, pretože sú vedľajším produktom vytvárania vesmíru.
Ich štúdia bola hlavným bodom pre teoretických fyzikov a kozmológov. V predchádzajúcich štúdiách boli neutrínové interakcie detegované použitím doslova ton cieľového materiálu a potom skúmaním transformácií častíc, ktoré boli výsledkom ich zasiahnutia neutrínami.
Medzi príklady patrí observatórium Super-Kamiokande v Japonsku, podzemné zariadenie, kde cieľovým materiálom je 50 000 ton ultračistej vody. V prípade observatória Sudbury Neutrino Observatory SNOLAB, ktoré sa nachádza v bývalom banskom komplexe v blízkosti Sudbury, Ontário, sa detektor neutrín SNO spolieha na detekciu neutrín v ťažkej vode, zatiaľ čo experiment SNO + použije scintilátor kvapaliny.
A observatórium IceCube Neutrino - najväčší detektor neutrín na svete, ktorý sa nachádza na stanici Amundsen - Scott South Pole v Antarktíde - sa spolieha na antarktický ľad, aby zistil interakcie neutrína. Vo všetkých prípadoch sú zariadenia extrémne izolované a spoliehajú sa na veľmi drahé vybavenie.
Experiment COHERENT je však v porovnaní s porovnaním značne menší a ekonomickejší, váži iba 14,5 kg (32 libier) a zaberá oveľa menej priestoru. Experiment bol vytvorený s cieľom využiť existujúci systém založený na urýchľovačoch SNS, ktorý produkuje najintenzívnejšie impulzové neutrónové lúče na svete, aby rozbil atómy ortuti lúčmi protónov.
Tento proces vytvára obrovské množstvo neutrónov, ktoré sa používajú na rôzne vedecké experimenty. Tento proces však tiež vytvára významné množstvo neutrín ako vedľajší produkt. Aby sa to využilo, tím KOHERENTU začal vyvíjať neutrínový experiment známy ako „neutrínová alej“. Silné betónové steny a štrk sa nachádzajú v chodbe suterénu vzdialenej iba 20 metrov (45 stôp) od ortuti a poskytujú prirodzené tienenie.
Chodba je tiež vybavená veľkými vodnými nádržami, ktoré blokujú ďalšie neutrína, kozmické lúče a ďalšie častice. Na rozdiel od iných experimentov však detektory KOHERENTU hľadajú známky neutrín narážajúcich do jadier iných atómov. Na tento účel tím vybavil chodbu detektormi, ktoré sa spoliehajú na kryštál scintilátora jodidu cézneho, ktorý tiež používa zium na zvýšenie významnosti svetelných signálov spôsobených neutrínovými interakciami.
Juan Collar, fyzik z Chicagskej univerzity, viedol tím dizajnérov, ktorý vytvoril detektor používaný v SNS. Ako vysvetlil, išlo o prístup „back-to-basics“, ktorý odstránil drahšie a masívnejšie detektory:
„Pravdepodobne ide o najznámejší detský radiačný detektor, ktorý je k dispozícii už asi sto rokov. Jodid cézny dotovaný sodíkom spája všetky vlastnosti potrebné na to, aby fungoval ako malý „ručný“ koherentný neutrínový detektor. Veľmi často je menej viac. “
Vďaka ich experimentu a sofistikovanosti SNS vedci dokázali určiť, že neutrína sú schopné viazať sa na kvarky prostredníctvom výmeny neutrálnych Z bozónov. Tento proces, ktorý sa nazýva Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), bol prvýkrát predpovedaný v roku 1973. Až doteraz ho však žiadny experimentálny alebo výskumný tím nedokázal potvrdiť.
Ako uviedol Jason Newby, experiment bol z veľkej časti úspešný vďaka sofistikácii existujúceho zariadenia. „Energia neutrín SNS je pre tento experiment takmer dokonale vyladená - dosť veľká na to, aby vytvorila detekovateľný signál, ale dosť malá na to, aby využila podmienku koherencie,“ uviedol. "Jedinou fajčiarskou pištoľou interakcie je malé množstvo energie odovzdané jednému jadru."
Údaje, ktoré poskytla, boli tiež čistejšie ako v predchádzajúcich experimentoch, pretože neutrína (ako neutrónový lúč SNS, ktorý ich produkoval) boli tiež pulzované. To umožnilo ľahké oddelenie signálu od signálov pozadia, čo ponúka výhodu oproti neutrínovým zdrojom v ustálenom stave - napríklad tým, ktoré produkujú jadrové reaktory.
Tím tiež zistil tri „príchute“ neutrín, medzi ktoré patrili miónové neutrína, miónové antineutrína a elektrónové neutrína. Zatiaľ čo miónové neutrína sa objavili okamžite, ostatné boli zistené o niekoľko mikrosekúnd neskôr. Tým COHERENT potvrdil nielen teóriu CEvNS, ale aj štandardný model fyziky častíc. Ich zistenia majú tiež dôsledky pre astrofyziku a kozmológiu.
Ako Kate Scholberg, fyzik z Duke University a hovorca COHERENT, vysvetlil:
„Keď sa zrúti obrovská hviezda a potom exploduje, neutrína vyhodia obrovskú energiu do hviezdneho obalu. Porozumenie procesu prispieva k pochopeniu toho, ako sa tieto dramatické udalosti vyskytujú ... Údaje COHERENTu pomôžu pri interpretácii merania neutrínových vlastností pomocou experimentov na celom svete. Môžeme tiež byť schopní použiť koherentný rozptyl na lepšie pochopenie štruktúry jadra. “
Aj keď nie je potrebné ďalšie potvrdzovanie ich výsledkov, výskumníci COHERENT plánujú vykonať ďalšie merania s cieľom pozorovať koherentné neutrínové interakcie pri rôznych rýchlostiach (ďalší podpis procesu). Z tohto dôvodu dúfajú, že si rozšíria svoje vedomosti o povahe CEvNS, ako aj o ďalších základných neutrínových vlastnostiach - napríklad o ich vnútornom magnetizme.
Tento objav bol určite pôsobivý sám osebe, pretože potvrdzuje aspekt štandardného modelu časticovej fyziky a kozmológie Veľkého tresku. Skutočnosť, že táto metóda ponúka čistejšie výsledky a spolieha sa na prístroje, ktoré sú podstatne menšie a lacnejšie ako iné experimenty - to je veľmi pôsobivé!
Dôsledky tohto výskumu budú určite ďalekosiahle a bude zaujímavé zistiť, aké ďalšie objavy to umožní v budúcnosti!
