Нейтрино - одна з основних частинок, що складають Всесвіт. Порівняно з іншими типами частинок вони мають дуже малу масу, без заряду і взаємодіють з іншими лише через слабку ядерну силу і силу тяжіння. Таким чином, знайти докази взаємодії спадкоємців надзвичайно важко, і для цього потрібні масивні інструменти, розташовані глибоко під землею, щоб захистити їх від будь-яких втручань.
Однак, використовуючи джерело нейтрального розсіювання (SNS), дослідницьку установу, розташовану в Національній лабораторії Дубового хребта (ORNL) - міжнародна команда дослідників нещодавно зробила історичне відкриття про нейтрино за допомогою зовсім іншого методу. В рамках експерименту КОГЕРЕНТ ці результати підтверджують прогноз, зроблений 43 роки тому, і пропонують нові можливості для дослідження нейтрино.
Дослідження, в якому детально описуються їх результати, під назвою «Спостереження за когерентним пружним розсіюванням ядра нейтрино», нещодавно було опубліковане в журналі Наука. Дослідження проводилось у рамках експерименту КОГЕРЕНТ, співпраці 80 дослідників із 19 установ з інших чотирьох країн, які вже протягом року шукають те, що відоме як когерентне пружне нейтрино-ядерне розсіювання (CEvNS).
Знайшовши докази такої поведінки, COHERENT по суті склав історію. Як заявив Джейсон Ньюбі, фізик ORNL та технічний координатор COHERENT, у прес-заяві ORNL:
"Єдиний у своєму роді експеримент з фізики частинок в Національній лабораторії Ок-Рідж був першим, хто виміряв когерентне розсіювання низько енергетичних нейтрино з ядер".
Щоб розбити все це, Стандартна модель фізики частинок вказує, що нейтрино - лептони, частинка, яка дуже слабо взаємодіє з іншою речовиною. Вони створюються за рахунок радіоактивного розпаду, ядерних реакцій, що живлять зірки, та із наднових. Модель космології Великого вибуху також передбачає, що нейтрино є найпоширенішими частинками, що існують, оскільки вони є побічним продуктом створення Всесвіту.
Як таке, їх дослідження стало головним центром уваги для фізиків-теоретиків та космологів. У попередніх дослідженнях взаємодії нейтрино були виявлені шляхом використання буквально тонн цільового матеріалу, а потім вивчення перетворень частинок, що виникали в результаті потрапляння на них нейтрино.
Приклади включають обсерваторію Супер-Каміоканде в Японії, підземний заклад, де цільовим матеріалом є 50 000 тонн надчистої води. У випадку з обсерваторією Нейтрино в обсерваторії Sudbury SNBAB, яка знаходиться в колишньому шахтному комплексі поблизу Судбері, штат Онтаріо, детектор нейтрино СНО покладається на важку воду для виявлення нейтрино, в той час як в експерименті SNO + буде використаний рідкий сцинтилятор.
А обсерваторія нейтрино IceCube - найбільший детектор нейтрино у світі, розташований на станції Південний полюс Амундсена – Скотта в Антарктиді - покладається на антарктичний лід для виявлення взаємодій нейтрино. У всіх випадках заклади надзвичайно ізольовані і покладаються на дуже дороге обладнання.
Експеримент COHERENT, однак, надзвичайно менший і економічніший порівняно, він важить лише 14,5 кг (32 фунти) і займає набагато менше на шляху космосу. Експеримент був створений з метою використання переваг існуючої системи на основі прискорювачів SNS, яка виробляє найбільш інтенсивні імпульсні пучки нейтронів у світі, щоб розбити атоми ртуті пучками протонів.
Цей процес створює величезну кількість нейтронів, які використовуються для різних наукових експериментів. Однак процес також створює значну кількість нейтрино як побічний продукт. Щоб скористатися цим, команда COHERENT почала розробляти експеримент з нейтрино, відомий як «алейтрина алея». Розташовані в підвальному коридорі всього за 20 метрів (45 футів) від ртутного резервуару, товсті бетонні стіни та гравій забезпечують природне екранування.
Коридор також обладнаний великими резервуарами для води для блокування додаткових нейтрино, космічних променів та інших частинок. Але на відміну від інших експериментів, детектори КОГЕРЕНТ шукають ознаки нейтрино, що стикаються в ядрах інших атомів. Для цього команда оснастила коридор детекторами, що спираються на кристал сцинтилятора йодиду цезію, який також використовує одіум для збільшення випромінювання світлових сигналів, викликаних взаємодією нейтрино.
Хуан Коллар, фізик з Університету Чикаго, очолював проектну групу, яка створила детектор, використовуваний в SNS. Як він пояснив, це був підхід "до основи", який усунув більш дорогі і масивні детектори:
"Вони, мабуть, є самим пішохідним детектором радіації, який існує вже близько століття. Натрій-йодид цезію, легований натрієм, об'єднує всі властивості, необхідні для роботи як невеликий когерентний детектор нейтрино. Дуже часто менше є більше ».
Завдяки їх експерименту та витонченості SNS, дослідники змогли встановити, що нейтрино здатні з'єднуватися з кварками за допомогою обміну нейтральних Z-бозонів. Цей процес, відомий як когерентне еластичне нейтрино-ядерне розсіювання (CEvNS), вперше був спрогнозований у 1973 р. Але до цього часу жоден експеримент чи дослідницька група не змогли його підтвердити.
Як зазначав Джейсон Ньюбі, експеримент значною мірою вдався завдяки вишуканості існуючого обладнання. "Енергія нейтрино SNS майже ідеально налаштована для цього експерименту - достатньо велика, щоб створити сигнал, який можна виявити, але досить мала, щоб скористатися умовою узгодженості", - сказав він. "Єдине курильне пістолет для взаємодії - це невелика кількість енергії, відданої на одне ядро".
Отримані ними дані також були чистішими, ніж у попередніх експериментах, оскільки нейтрино (як і нейтронний пучок SNS, який їх виробляв) також імпульсували. Це дозволило легко відокремити сигнал від фонових сигналів, що запропонувало перевагу перед стаціонарними джерелами нейтрино - такими, які виробляються ядерними реакторами.
Команда також виявила три «ароматизатори» нейтрино, серед яких були мюонні нейтрино, мюонні антинейтрино та нейтрони електронів. Тоді як мюонні нейтрино виникли миттєво, інші були виявлені через кілька мікросекунд. З цього приводу команда КОГЕРЕНТ не тільки підтвердила теорію CEvNS, але і Стандартну модель фізики частинок. Їхні висновки також мають наслідки для астрофізики та космології.
Як пояснила Кейт Шолберг, фізик з університету Дюка та представник компанії COHERENT:
"Коли масивна зірка руйнується і потім вибухає, нейтрино скидає величезну енергію в зоряну оболонку. Розуміння процесу спричиняє розуміння того, як відбуваються ці драматичні події… Дані COHERENT допоможуть інтерпретувати вимірювання властивостей нейтрино експериментами у всьому світі. Ми також можемо використовувати когерентне розсіювання, щоб краще зрозуміти структуру ядра ».
Поки немає необхідності в додатковому підтвердженні їх результатів, дослідники COHERENT планують провести додаткові вимірювання для того, щоб спостерігати когерентні взаємодії нейтрино з різною швидкістю (інша ознака процесу). Від цього вони сподіваються розширити свої знання про природу CEvNS, а також про інші основні властивості нейтрино - такі як їх внутрішній магнетизм.
Це відкриття, безумовно, вразило саме по собі, враховуючи, що воно підтверджує аспект як Стандартної моделі фізики частинок, так і космології Великого вибуху. Але той факт, що метод дає більш чіткі результати та спирається на інструменти, які значно менші та дешевші, ніж інші експерименти - це дуже вражає!
Наслідки цього дослідження, безумовно, є далекосяжними, і буде цікаво подивитися, які інші відкриття це дає у майбутньому!
