Neutrina jsou jednou ze základních částic, které tvoří vesmír. Ve srovnání s jinými typy částic mají velmi malou hmotnost, žádný náboj a interagují s ostatními pouze prostřednictvím slabé jaderné síly a gravitace. Nalezení důkazů o vzájemných interakcích dědiců je proto nesmírně obtížné a vyžaduje masivní nástroje umístěné hluboko pod zemí, aby je chránily před jakýmkoli rušením.
Avšak pomocí výzkumného zařízení Spallation Neutron Source (SNS), které se nachází v Národní laboratoři Oak Ridge (ORNL) - mezinárodní tým vědců nedávno provedl historický objev neutrin pomocí zcela jiné metody. V rámci experimentu COHERENT tyto výsledky potvrzují predikci provedenou před 43 lety a nabízejí nové možnosti pro výzkum neutrin.
Studie, která podrobně popisuje jejich zjištění s názvem „Pozorování koherentního elastického rozptylu neutrino-jader“, byla nedávno zveřejněna v časopise. Věda. Výzkum byl proveden jako součást experimentu COHERENT, spolupráce 80 výzkumníků z 19 institucí z více než 4 zemí, která již více než rok hledá to, co se nazývá koherentní elastický rozptyl neutrálních jader (CEvNS).
COHERENT při hledání důkazů o tomto chování v podstatě vytvořil historii. Jak uvedl Jason Newby, fyzik ORNL a technický koordinátor COHERENT, v tiskovém prohlášení ORNL:
"Jedinečný experiment s fyzikou částic v Oak Ridge National Laboratory byl první, kdo změřil koherentní rozptyl nízkoenergetických neutrin na jádrech."
Abychom to všechno rozbili, standardní model fyziky částic naznačuje, že neutrina jsou leptony, částice, která velmi slabě interaguje s jinou hmotou. Jsou vytvářeny radioaktivním rozpadem, jadernými reakcemi, které pohání hvězdy, a ze supernov. Kosmologický model velkého třesku také předpovídá, že neutrina jsou nejhojnější částice v existenci, protože jsou vedlejším produktem vzniku vesmíru.
Jejich studie byla jako hlavní kontaktní místo pro teoretické fyziky a kosmology. V předchozích studiích byly neutrinové interakce detekovány pomocí doslova tun cílového materiálu a poté zkoumáním transformací částic, které byly výsledkem jejich zasažení neutrinami.
Příkladem je observatoř Super-Kamiokande v Japonsku, podzemní zařízení, kde je cílovým materiálem 50 000 tun ultračisté vody. V případě observatoře Sudbury Neutrino od SNOLAB, která se nachází v bývalém důlním komplexu poblíž Sudbury, Ontario, se detektor neutronů SNO spoléhá na detekci neutrin v těžké vodě, zatímco experiment SNO + použije scintilátor kapalin.
A observatoř IceCube Neutrino - největší detektor neutrin na světě, umístěný na stanici Amundsen - Scott South Pole v Antarktidě - spoléhá na antarktický led, aby detekovala interakce neutrin. Ve všech případech jsou zařízení extrémně izolovaná a spoléhají na velmi drahé vybavení.
Experiment COHERENT je však ve srovnání s porovnáním nesmírně menší a úspornější, váží pouhých 14,5 kg a zabírá mnohem méně prostoru. Experiment byl vytvořen, aby se využil stávající systém založený na urychlovači SNS, který produkuje nejintenzivnější pulzní neutronové paprsky na světě, aby rozbil atomy rtuti paprsky protonů.
Tento proces vytváří obrovské množství neutronů, které se používají pro různé vědecké experimenty. Tento proces však také vytváří významné množství neutrin jako vedlejší produkt. Aby toho bylo možné využít, tým COHERENT začal vyvíjet experiment neutrina známý jako „neutrinová alej“. Silné betonové zdi a štěrk jsou umístěny v suterénní chodbě pouhých 20 metrů od rtuťového tanku a poskytují přirozené stínění.
Chodba je také vybavena velkými vodními nádržemi, které blokují další neutrina, kosmické paprsky a další částice. Na rozdíl od jiných experimentů však detektory COHERENT hledají známky neutrin, které naráží do jader jiných atomů. Za tímto účelem tým vybavil chodbu detektory, které se spoléhají na krystal scintilátoru jodidu cesného, který také používá odium ke zvýšení významnosti světelných signálů způsobených interakcemi neutrinů.
Juan Collar, fyzik z Chicagské univerzity, vedl designérský tým, který vytvořil detektor používaný v SNS. Jak vysvětlil, šlo o přístup „back-to-basics“, který odstranil dražší a mohutnější detektory:
"Je to pravděpodobně nejpěší druh radiačního detektoru, který je k dispozici, už asi sto let." Jodid cesný dotovaný sodíkem slučuje všechny vlastnosti potřebné k tomu, aby fungoval jako malý „ruční“ koherentní neutrinový detektor. Velmi často je méně více. “
Díky jejich experimentu a sofistikovanosti SNS vědci dokázali určit, že neutrinos jsou schopný vazby na kvarky výměnou neutrálních Z bosonů. Tento proces, známý pod názvem Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), byl poprvé předpovězen v roce 1973. Až dosud jej však žádný experiment nebo výzkumný tým nemohl potvrdit.
Jak naznačil Jason Newby, experiment uspěl z velké části díky sofistikovanosti stávajícího zařízení. "Energie neutronů SNS je pro tento experiment téměř dokonale vyladěna - dost velká na to, aby vytvořila detekovatelný signál, ale dostatečně malá na to, aby využila podmínky koherence," řekl. "Jedinou kuřáckou zbraní interakce je malé množství energie udělené jedinému jádru."
Data, která vytvořila, byla také čistší než v předchozích experimentech, protože neutrina (jako neutronový svazek SNS, který je produkoval) byla také pulzována. To umožnilo snadné oddělení signálu od signálů na pozadí, což nabídlo výhodu oproti zdrojům neutrina v ustáleném stavu - jako jsou zdroje, které produkují jaderné reaktory.
Tým také detekoval tři „příchutě“ neutrin, mezi něž patří mionová neutrina, mionová antineutrina a elektronová neutrina. Zatímco mionová neutrina se objevila okamžitě, ostatní byly detekovány o několik mikrosekund později. Od této chvíle tým COHERENT potvrdil nejen teorii CEvNS, ale také standardní model fyziky částic. Jejich nálezy mají také důsledky pro astrofyziku a kosmologii.
Jak vysvětlila Kate Scholbergová, fyzik z Duke University a mluvčí COHERENTU:
"Když se zhroutí masivní hvězda a poté exploduje, neutrina vyhodí obrovskou energii do hvězdné obálky." Porozumění procesu přispívá k pochopení toho, jak k těmto dramatickým událostem dochází ... Data COHERENT pomohou při interpretaci měření neutrinových vlastností experimenty po celém světě. Můžeme být také schopni použít koherentní rozptyl, abychom lépe porozuměli struktuře jádra. “
I když není třeba dále potvrzovat jejich výsledky, výzkumníci COHERENT plánují provádět další měření, aby pozorovali koherentní neutrinové interakce odlišnými rychlostmi (další podpis procesu). Z toho doufají, že si rozšíří své znalosti o povaze CEvNS a dalších základních neutrinových vlastnostech - jako je jejich vnitřní magnetismus.
Tento objev byl zcela jistě působivý sám o sobě, vzhledem k tomu, že potvrzuje aspekt jak standardního modelu fyziky částic, tak kosmologie Velkého třesku. Ale skutečnost, že metoda nabízí čistší výsledky a spoléhá se na nástroje, které jsou výrazně menší a levnější než jiné experimenty - to je velmi působivé!
Důsledky tohoto výzkumu jsou jistě dalekosáhlé a bude zajímavé sledovat, jaké další objevy to v budoucnu umožní!
