A neutrinók az egyik alapvető részecske, amelyek alkotják az Univerzumot. Más típusú részecskékhez viszonyítva nagyon kis tömegűek, nincs töltésük, és csak a gyenge nukleáris erő és gravitáció révén másokkal kölcsönhatásba lépnek. Mint ilyen, rendkívül nehéz megtalálni az örökösök interakcióinak bizonyítékait, mivel a mélyen a föld alatt elhelyezkedő hatalmas műszerek megkövetelik az esetleges beavatkozást.
A Spallation Neutron Source (SNS), az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban (ORNL) található kutatóintézet felhasználásával - egy nemzetközi kutatócsoport nemrégiben történelmi felfedezést készített a neutrinókról egy teljesen más módszerrel. A COHERENT kísérlet részeként ezek az eredmények megerősítik a 43 évvel ezelőtt tett előrejelzést, és új lehetőségeket kínálnak a neutrino kutatásokhoz.
Nemrégiben a folyóiratban közzétették az eredményeket részletező, „Koherens elasztikus neutrino-mag szétszóródásának megfigyelése” című tanulmányt Tudomány. A kutatást a COHERENT kísérlet részeként, több mint 4 nemzet 19 intézményének 80 kutatójának közreműködésével végezték, amely több mint egy éve kutatja az úgynevezett koherens elasztikus neutrino-atommag-szórást (CEvNS).
Ennek a viselkedésnek a bizonyítékát találva a COHERENT lényegében történetet tett. Mint Jason Newby, az ORNL fizikusa és a COHERENT műszaki koordinátora, az ORNL sajtónyilatkozatában mondta:
"Az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban az egy egyedülálló részecskefizikai kísérlet volt az első, amely az alacsony energiájú neutrinók koherens szóródását mérte a magokon."
Mindezek lebontása érdekében a részecskefizika standard modellje azt jelzi, hogy a neutrinók leptonok, egy olyan részecske, amely más anyaggal nagyon gyengén kölcsönhatásba lép. A radioaktív bomlás, a csillagok hatalmát képező nukleáris reakciók és a szupernóvák révén jönnek létre. A kozmológia Big Bang modellje azt is megjósolja, hogy a neutrinók a legelterjedtebb részecskék, mivel ezek az univerzum létrehozásának melléktermékei.
Mint ilyen, tanulmányuk az elméleti fizikusok és a kozmológusok fókuszpontja volt. A korábbi vizsgálatokban a neutrino interakciókat úgy észlelték, hogy szó szerint tonna célanyagot használtak, majd megvizsgálták azokat a részecske-transzformációkat, amelyek az őket eltaláló neutrinókból származtak.
Példa erre a japán Super-Kamiokande Obszervatórium, egy földalatti létesítmény, ahol a célanyag 50 000 tonna rendkívül tiszta víz. Az SNOLAB Sudbury Neutrino Obszervatóriumának - amely egy egykori bányakomplexumban található az Ontario-i Sudbury közelében - esetében az SNO neutrinodetektor nehézvízre támaszkodik, és az SNO + kísérlet folyadék szcintillátort fog használni.
Az IceCube Neutrino Obszervatórium - a világ legnagyobb neutrinodetektorja, amely az Antarktiszon az Amundsen – Scott déli pólus állomáson található - Antarktisz jégére támaszkodik a neutrino interakciók kimutatására. A létesítmények minden esetben rendkívül elszigeteltek és nagyon drága berendezésekre támaszkodnak.
A COHERENT kísérlet azonban összehasonlíthatatlanul kisebb és gazdaságosabb, csupán 14,5 kg tömegű és sokkal kevesebb helyet foglal el a térben. A kísérletet azért hozták létre, hogy kihasználja a meglévő SNS gyorsító-alapú rendszert, amely a legerősebb impulzusú neutronnyalábot hozza létre a világon annak érdekében, hogy a higanyatomokat protonnyalábokkal összetörjék.
Ez a folyamat hatalmas mennyiségű neutront hoz létre, amelyeket különféle tudományos kísérletekhez használnak. A folyamat azonban jelentős mennyiségű neutrinot hoz létre melléktermékként is. Ennek kihasználása érdekében a COHERENT csoport elkezdte a neutrino kísérlet kifejlesztését, amelyet úgynevezett „neutrino sikátornak” hívnak. A higanytartálytól mindössze 20 méterre (45 láb) található alagsori folyosón található a vastag betonfalak és a kavics természetes árnyékolást nyújtanak.
A folyosón nagy víztartályok vannak felszerelve, amelyek kiküszöbölik a további neutrinokat, kozmikus sugarakat és más részecskéket. Más kísérletektől eltérően, a COHERENT detektorok más atomok magjaiba ütköző neutrínók jeleit keresik. Ennek érdekében a csapat felépítette a folyosót olyan detektorokkal, amelyek cézium-jodid szcintillátor kristályra támaszkodnak, amely odiumot is használ a neutrino interakciók által okozott fényjelek kiemelésének növelésére.
Juan Collar, a Chicagói Egyetem fizikusa vezette a tervezőcsoportot, amely létrehozta az SNS-ben használt detektorot. Mint elmagyarázta, ez egy „vissza az alapokhoz” megközelítés, amely elkerülte a drágább és hatalmas detektorokat:
„Vitathatatlanul a rendelkezésre álló sugárzás-érzékelők leggyakoribb gyalogos fajtái, egy évszázad óta működnek. A nátrium-adalékolt cézium-jodid egyesíti az összes tulajdonságot, amely egy kicsi, kézi koherens neutrinodetektor működéséhez szükséges. Nagyon gyakran kevesebb több. ”
Kísérleteiknek és az SNS kifinomultságának köszönhetően a kutatók meg tudták állapítani, hogy a neutrinók semleges Z-bozonok cseréje révén képesek-e kvarkokhoz kapcsolódni. Ezt a folyamatot, amelyet Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) néven ismertek, először 1973-ban jósoltak meg. De eddig egyetlen kísérlet vagy kutatócsoport sem tudta megerősíteni ezt.
Amint Jason Newby rámutatott, a kísérlet nagyrészt a meglévő létesítmény kifinomultságának köszönhetően sikerült. "Az SNS neutrinók energiája szinte tökéletesen beállítva ehhez a kísérlethez - elég nagy ahhoz, hogy detektálható jelet hozzon létre, de elég kicsi ahhoz, hogy kihasználhassák a koherencia feltételt" - mondta. "Az interakció egyetlen dohányzó fegyvere egy kis mennyiségű energia, amelyet egyetlen magba juttatnak."
Az általa előállított adatok tisztábbak voltak, mint a korábbi kísérleteknél, mivel a neutrinók (mint például az SNS neutronnyaláb, amely ezeket előállította) is pulzáltak. Ez lehetővé tette a jel könnyű elválasztását a háttérjektől, ami előnyt jelentett egyensúlyi neutrino forrásokhoz képest - például azokhoz, amelyeket atomreaktorok állítanak elő.
A csoport a neutrinók három „ízét” is felfedezte, ideértve a muonneutronokat, a muon antineutrinosokat és az elektronneutrinókat. Míg a muonneutronok azonnal megjelentek, a többit néhány mikrosekundummal később detektálták. Ebből a COHERENT csapat nemcsak a CEvNS elméletét, hanem a részecskefizika standard modelljét is validálta. Megállapításai kihatással vannak az asztrofizikára és a kozmológiára is.
Ahogy Kate Scholberg, a Duke Egyetem fizikusa és a COHERENT szóvivője elmagyarázta:
„Amikor egy hatalmas csillag összeomlik, majd felrobban, a neutrinók hatalmas energiát engednek a csillagok borítékába. A folyamat megértése hozzájárul ahhoz, hogy megértsük, hogyan történnek ezek a drámai események. A COHERENT adatai segítenek a neutrino tulajdonságok mérésének világszerte történő értelmezésében. Lehet, hogy koherens szórást is alkalmazhatunk a mag szerkezetének jobb megértésére. "
Míg az eredmények további megerősítésére nincs szükség, a COHERENT kutatói további méréseket terveznek elvégezni a koherens neutrinó interakciók megfigyelése érdekében, meghatározott sebességgel (a folyamat újabb aláírása). Ebből remélhetőleg kibővítik tudásukat a CEvNS természetéről, valamint más alapvető neutrino tulajdonságokról - például belső magnetizmusukról.
Ez a felfedezés önmagában nyilvánvalóan lenyűgöző volt, tekintettel arra, hogy érvényesíti mind a részecskefizika standard modelljét, mind a Big Bang kozmológiáját. De az a tény, hogy a módszer tisztább eredményeket kínál, és olyan eszközökre támaszkodik, amelyek lényegesen kisebbek és olcsóbbak, mint a többi kísérlet - ez nagyon lenyűgöző!
Ennek a kutatásnak a következményei biztosan messzire kiterjednek, és érdekes lesz megnézni, milyen további felfedezéseket tesz lehetővé a jövőben!
