Неутрини су једна од основних честица које чине Универзум. У поређењу са другим врстама честица, оне имају врло малу масу, без набоја и комуницирају са другима само слабом нуклеарном силом и гравитацијом. Као такав, проналазак доказа о насљедничким интеракцијама је изузетно тежак, па су потребни масивни инструменти смјештени дубоко под земљом да би их заштитили од било каквих сметњи.
Међутим, коришћењем спаллатион Неутрон Соурце (СНС), истраживачког објекта смештеног у Националној лабораторији Оак Ридге (ОРНЛ) - међународни тим истраживача недавно је открио историјско откриће о неутриновима користећи потпуно другачију методу. Као део експеримента ЦОХЕРЕНТ, ови резултати потврђују предвиђање пре 43 године и нуде нове могућности за неутрино истраживање.
Студија која детаљно описује њихове налазе, под називом „Проматрање кохерентног еластичног распршивања неутрино-нуклеуса“, недавно је објављена у часопису Наука. Истраживање је спроведено у оквиру ЦОХЕРЕНТ експеримента, сарадње 80 истраживача из 19 институција из више 4 земље који су више од годину дана трагали за кохерентним еластичним неутрино-нуклеусним расипањем (ЦЕвНС).
Проналазећи доказе о овом понашању, ЦОХЕРЕНТ је у основи направио историју. Као што је Јасон Невби, ОРНЛ физичар и технички координатор ЦОХЕРЕНТ-а, у изјави за ОРНЛ рекао:
„Јединствени експеримент физике честица у Националној лабораторији Оак Ридге први је измерио кохерентно расипање нискоенергетских неутрина из језгара.“
Да би све то разбио, Стандардни модел физике честица указује да су неутрини лептони, честица која врло слабо комуницира са другом материјом. Они су створени радиоактивним распадом, нуклеарним реакцијама које покрећу звезде, и из супернова. Модел космологије Великог праска такође предвиђа да су неутрини најобичније честице које постоје, јер су нуспродукт стварања Универзума.
Као таква, њихова студија је била главна тачка за теоријске физичаре и космологе. У претходним студијама, неутрино интеракције су детектоване коришћењем буквално тона циљног материјала, а затим испитивањем трансформација честица које су резултат ударања неутрина.
Примјери укључују Опсерваториј Супер-Камиоканде у Јапану, подземно постројење гдје је циљни материјал 50 000 тона ултрачисте воде. У случају СНОЛАБ-овог опсерваторија у Судбури Неутрино - који се налази у бившем рудничком комплексу у близини Судбурија, Онтарио - неутронски детектор СНО ослања се на тешку воду за детекцију неутрина, док ће експеримент СНО + користити течни сцинтилатор.
А ИцеЦубе Неутрино опсерваторија - највећи неутрински детектор на свету, смештен на станици Јужни пол Амундсен-Сцотт на Антарктику - ослања се на лед Антарктика како би открио интеракције неутрина. У свим случајевима, објекти су изузетно изоловани и ослањају се на веома скупу опрему.
ЦОХЕРЕНТ експеримент је, међутим, неизмерно мањи и економичнији у поређењу, тежи само 14,5 кг (32 лбс) и заузима далеко мање простора. Експеримент је створен да искористи постојећи систем заснован на акцелераторима СНС, који производи најинтензивније пулсне неутронске зраке на свету како би разбио атоме живе у сноповима протона.
Овим процесом се стварају огромне количине неутрона који се користе за разне научне експерименте. Међутим, процес такође ствара значајну количину неутрина као нуспродукта. Да би искористили то, тим ЦОХЕРЕНТ-а почео је развијати неутрино експеримент познат као "неутрино алеја". Смештени у подрумском ходнику на само 20 метара (45 стопа) од резервоара живе, дебели бетонски зидови и шљунак омогућавају природну заштиту.
Коридор је такође опремљен великим резервоарима воде за блокирање додатних неутрина, космичких зрака и других честица. Али за разлику од других експеримената, ЦОХЕРЕНТ детектори траже знакове да неутрини налете на језгре других атома. Да би то учинили, тим је опремио ходник детекторима који се ослањају на кристал сцинтилатора цезијевог јодида, који такође користи одијум за повећање видљивости светлосних сигнала изазваних неутринским интеракцијама.
Јуан Цоллар, физичар са Универзитета у Чикагу, водио је тим који је створио детектор коришћен у СНС. Како је објаснио, ово је био приступ „бацк-то-басицс“ који је укинуо скупље и масовније детекторе:
„Они су вјероватно најнижа врста детектора радијације која је доступна, постоји већ век. Натријум-цезијев јодид натопљен натријумом спаја сва својства потребна за рад као мали, „ручни“ кохерентни детектор неутрина. Веома често мање је више. "
Захваљујући њиховом експерименту и софистицираности СНС-а, истраживачи су успели да утврде да су неутрини способни да се повежу са кварковима разменом неутралних З-бозона. Овај поступак, који је познат као кохерентно еластично распршивање неутро-нуклеуса (ЦЕвНС), први пут је предвиђен 1973. Али до сада ниједан експеримент или истраживачки тим нису успели да га потврде.
Као што је Јасон Невби назначио, експеримент је успио великим дијелом захваљујући софистицираности постојећег објекта. "Енергија СНС неутриноса скоро је савршено подешена за овај експеримент - довољно велика да створи сигнал који се може детектирати, али довољно мали да искористи кохерентан услов", рекао је. „Једини пиштољ за међусобно пушење је мала количина енергије која је додељена једном језгру.“
Подаци које је произвели су такође чишћи него у претходним експериментима, јер су и неутрини (попут СНС неутронске зраке који их је произвео) били пулсирани. То је омогућило лако одвајање сигнала од позадинских сигнала, што је нудило предност у односу на изворе неутрина у сталном стању - попут оних које производе нуклеарни реактори.
Тим је такође открио три „укуса“ неутрина, који укључују муонске неутрине, муонске антинеутрине и електронске неутрине. Док су се муонски неутрини појавили тренутно, остали су детектовани неколико микросекунди касније. Из овога, ЦОХЕРЕНТ тим није потврдио само теорију ЦЕвНС-а, већ и стандардни модел физике честица. Њихова открића такође имају последице за астрофизику и космологију.
Како је објаснила Кате Сцхолберг, физичарка са Универзитета Дуке и портпаролка ЦОХЕРЕНТ-а:
„Када се масивна звезда сруши и потом експлодира, неутрини бацају огромну енергију у звјездану овојницу. Разумевање процеса омогућава разумевање начина на који се догађају ови драматични догађаји ... Подаци ЦОХЕРЕНТ-а ће вам помоћи у тумачењу мерења неутринских својстава експериментима широм света. Такође ћемо моћи да користимо кохерентно расипање како бисмо боље разумели структуру језгра. "
Иако нема потребе за даљњим потврђивањем њихових резултата, истраживачи ЦОХЕРЕНТ-а планирају да изврше додатна мерења како би са различитом брзином посматрали кохерентне интеракције неутрина (још један потпис процеса). Из овога се надају да ће проширити своје знање о природи ЦЕвНС-а, као и о другим основним неутринским својствима - попут њиховог својственог магнетизма.
Ово откриће је свакако било импресивно само по себи с обзиром да потврђује аспект и Стандардног модела физике честица и космологије Великог праска. Али чињеница да метода нуди чистије резултате и ослања се на инструменте који су знатно мањи и јефтинији од осталих експеримената - то је врло импресивно!
Импликације овог истраживања су засигурно далекосежне, а биће занимљиво видјети која друга открића омогућавају у будућности!
