Nevtrini so eden temeljnih delcev, ki sestavljajo vesolje. V primerjavi z drugimi vrstami delcev imajo zelo malo mase, brez naboja in z drugimi delujejo le preko šibke jedrske sile in gravitacije. Tako je iskanje dokazov o dedničinskih interakcijah izredno težko, zato so potrebni ogromni instrumenti, nameščeni globoko pod zemljo, da jih zaščitijo pred kakršnimi koli posegi.
Vendar pa je s pomočjo Spallation Neutron Source (SNS), raziskovalne ustanove, ki se nahaja v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge (ORNL) - mednarodna skupina raziskovalcev, nedavno podala zgodovinsko odkritje o nevtrinosih s povsem drugo metodo. V okviru eksperimenta COHERENT ti rezultati potrjujejo napoved pred 43 leti in ponujajo nove možnosti za raziskave nevtrinov.
Študija, ki podrobno opisuje njihove ugotovitve, z naslovom "Opazovanje skladnega elastičnega razkroja nevtrino-jedra", je bila nedavno objavljena v reviji Znanost. Raziskava je bila izvedena v okviru eksperimenta COHERENT, sodelovanja 80 raziskovalcev iz 19 institucij iz več štirih držav, ki že več kot leto išče tisto, kar je znano kot koherentno elastično nevturno-nukleusno razprševanje (CEvNS).
Pri iskanju dokazov o tem vedenju je COHERENT v bistvu nanizal zgodovino. Kot je v izjavi za javnost ORNL dejal Jason Newby, fizik ORNL in tehnični koordinator COHERENT:
"Edinstveni eksperiment fizike delcev v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge je bil prvi, ki je izmeril skladno razprševanje nizkoenergijskih nevtrinov iz jeder."
Standardni model fizike delcev pomeni, da je vse razčlenjeno, da so nevtrini leptoni, delci, ki zelo slabo komunicirajo z drugimi snovmi. Nastanejo z radioaktivnim razpadom, jedrskimi reakcijami, ki napajajo zvezde, in iz supernov. Kozmološki model Big Bang prav tako predvideva, da so nevtrini najpogostejši delci v obstoju, saj so stranski produkt ustvarjanja Vesolja.
Kot taka je bila njihova študija glavno žarišče teoretičnih fizikov in kozmologov. V prejšnjih študijah so nevtrinske interakcije zaznali s pomočjo dobesedno na tone ciljnega materiala in nato preučevali transformacije delcev, ki so posledica udarcev nevtrinov.
Primeri vključujejo observatorij Super-Kamiokande na Japonskem, podzemni objekt, kjer je ciljni material 50.000 ton ultračiste vode. V primeru SNOLAB-ovega nevtrinskega observatorija Sudbury - ki se nahaja v nekdanjem rudarskem kompleksu v bližini Sudburyja v Ontariu - se nevtralni detektor SNO za odkrivanje nevtrinov zanaša na težko vodo, medtem ko bo poskus SNO + uporabil tekoči scintilator.
Nevtrinski observatorij IceCube - največji nevtrinski detektor na svetu, ki se nahaja na postaji Amundsen – Scott Južni pol na Antarktiki - se zanaša na antarktični led za odkrivanje nevtrinskih interakcij. V vseh primerih so objekti izredno izolirani in se zanašajo na zelo drago opremo.
Eksperiment COHERENT pa je v primerjavi s tobom neizmerno manjši in bolj ekonomičen, saj tehta le 14,5 kg (32 funtov) in zaseda veliko manj na poti. Eksperiment je bil ustvarjen, da bi izkoristil obstoječi sistem, ki temelji na pospeševalcih SNS, ki proizvaja najintenzivnejše impulzne nevtronske žarke na svetu, da bi s snopom protonov razbil atome živega srebra.
Ta postopek ustvarja ogromne količine nevtronov, ki se uporabljajo za različne znanstvene poskuse. Vendar postopek ustvarja tudi precejšnjo količino nevtrinov kot stranskih produktov. Da bi to izkoristili, je ekipa COHERENT začela razvijati nevtrinski eksperiment, znan kot "nevtrino ulico". Nahaja se v kletnem hodniku le 20 metrov (45 čevljev) od rezervoarja živega srebra, debele betonske stene in gramoz zagotavljajo naravno zaščito.
Hodnik je opremljen tudi z velikimi rezervoarji za vodo, ki preprečujejo dodatne nevtrine, kozmične žarke in druge delce. Toda za razliko od drugih eksperimentov detektorji COHERENT iščejo znake, da nevtrini naletijo na jedra drugih atomov. Da bi to naredili, je ekipa hodnik opremila z detektorji, ki se zanašajo na kristali scintillatorja cezijevega jodida, ki tudi odij uporablja za povečanje vidnosti svetlobnih signalov, ki jih povzročajo nevtrino interakcije.
Juan Collar, fizik z univerze v Chicagu, je vodil oblikovalsko skupino, ki je ustvarila detektor, ki se uporablja v SNS. Kot je pojasnil, je bil to pristop "nazaj k osnovam", ki je odnesel dražje in masivnejše detektorje:
"So verjetno najbolj vrste pešcev detektor sevanja, ki so na voljo že približno stoletje. Natrijev cezijev jodid združuje vse lastnosti, ki so potrebne za delovanje kot majhen, "ročni" koherentni detektor nevtrinov. Zelo pogosto je manj več. "
Zahvaljujoč njihovemu eksperimentu in prefinjenosti SNS so raziskovalci lahko ugotovili, da so nevtrini sposobni povezati kvarke z izmenjavo nevtralnih Z-bozonov. Ta postopek, ki je znan kot koherentno elastično razsipanje nevtrino-nukleusov (CEvNS), je bil prvič napovedan leta 1973. Toda do zdaj ga noben poskus ali raziskovalna skupina ni uspela potrditi.
Kot je nakazal Jason Newby, je eksperiment v veliki meri uspel zaradi prefinjenosti obstoječega objekta. "Energija nevtrinov SNS je skoraj popolnoma nastavljena za ta eksperiment - dovolj velika, da ustvari zaznaven signal, vendar dovolj majhna, da izkoristi koherenten pogoj," je dejal. "Edina pištola za kajenje interakcije je majhna količina energije, ki je dodeljena enemu jedru."
Podatki, ki jih je ustvaril, so bili tudi čistejši kot pri prejšnjih poskusih, saj so tudi nevtrini (podobno kot nevtronski snop SNS, ki so jih proizvajali) pulzirali. To je omogočilo enostavno ločitev signala od ozadnih signalov, kar je nudilo prednost pred viri nevtrino v stanju dinamičnega ravnovesja - kot so tisti, ki jih proizvajajo jedrski reaktorji.
Skupina je odkrila tudi tri "okuse" nevtrinov, med katerimi so bili muonski nevtrini, muonski antinevtrini in elektronski nevtrini. Medtem ko so se muonski nevtrini pojavili takoj, so druge odkrili nekaj mikrosekund kasneje. Iz tega je ekipa COHERENT potrdila ne le teorijo CEvNS, ampak tudi standardni model fizike delcev. Njihove ugotovitve vplivajo tudi na astrofiziko in kozmologijo.
Kot je pojasnila Kate Scholberg, fizičarka z univerze Duke in predstavnica podjetja COHERENT:
"Ko se množična zvezda zruši in nato eksplodira, nevtrini vržejo ogromno energije v zvezdno ovojnico. Razumevanje postopka se razume v tem, kako se zgodijo ti dramatični dogodki… Podatki COHERENT-a bodo pomagali pri razlagi meritev nevtrinskih lastnosti s poskusi po vsem svetu. Morda bomo lahko uporabili tudi koherentno sipanje, da bomo bolje razumeli zgradbo jedra. "
Medtem ko nadaljnjih potrditev njihovih rezultatov ni treba, raziskovalci COHERENT nameravajo izvesti dodatne meritve, da bi z različnimi hitrostmi opazovali skladne interakcije nevtrinov (še en podpis postopka). Iz tega upajo, da bodo razširili svoje znanje o naravi CEvNS in tudi drugih osnovnih nevtrinskih lastnosti - na primer njihovega notranjega magnetizma.
To odkritje je bilo vsekakor samo po sebi impresivno, saj potrjuje vidik standardnega modela fizike delcev in kozmologije Big Bang. Toda dejstvo, da metoda ponuja čistejše rezultate in se opira na instrumente, ki so bistveno manjši in cenejši od drugih poskusov - to je zelo impresivno!
Posledice te raziskave so zagotovo daljnosežne in zanimivo bo videti, katera druga odkritja omogočajo v prihodnosti!
