Нейтрино являются одной из фундаментальных частиц, из которых состоит Вселенная. По сравнению с другими типами частиц, они имеют очень небольшую массу, не заряжены и взаимодействуют только с другими посредством слабой ядерной силы и гравитации. Таким образом, найти доказательства взаимодействия наследников чрезвычайно сложно, требуя массивных инструментов, расположенных глубоко под землей, чтобы защитить их от любых помех.
Однако, используя Spallation Neutron Source (SNS), исследовательский центр, расположенный в Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) - международная команда исследователей недавно сделала историческое открытие о нейтрино, используя совершенно другой метод. В рамках эксперимента COHERENT эти результаты подтверждают прогноз, сделанный 43 года назад, и открывают новые возможности для исследований нейтрино.
Исследование, детализирующее их результаты под названием «Наблюдение за когерентным упругим нейтринно-ядерным рассеянием», было недавно опубликовано в журнале Наука, Исследование было проведено в рамках эксперимента COHERENT, в котором приняли участие 80 исследователей из 19 учреждений из более чем 4 стран, которые более года искали так называемое когерентное упругое нейтринно-ядерное рассеяние (CEvNS).
Находя доказательства этого поведения, КОГЕРЕНТ по сути дела вошел в историю. Как сказал Джейсон Ньюби, физик ORNL и технический координатор COHERENT, в заявлении для прессы ORNL:
«Единственный в своем роде эксперимент по физике элементарных частиц в Национальной лаборатории Ок-Риджа был первым, кто измерил когерентное рассеяние нейтрино низких энергий от ядер».
Чтобы разрушить все это, Стандартная модель физики частиц указывает, что нейтрино - это лептоны, частица, которая очень слабо взаимодействует с другим веществом. Они создаются посредством радиоактивного распада, ядерных реакций, которые приводят в действие звезды, и от сверхновых. Модель космологии Большого взрыва также предсказывает, что нейтрино являются наиболее распространенными частицами из существующих, поскольку они являются побочным продуктом создания Вселенной.
Таким образом, их исследование было основным фокусом для физиков-теоретиков и космологов. В предыдущих исследованиях нейтринные взаимодействия были обнаружены с использованием буквально тонн материала-мишени, а затем изучали преобразования частиц, вызванные попаданием нейтрино в них.
Примеры включают в себя Обсерваторию Супер-Камиоканде в Японии, подземный объект, где целевым материалом является 50000 тонн сверхчистой воды. В случае Сейтберийской нейтринной обсерватории СНОЛАБ, которая расположена в бывшем шахтном комплексе недалеко от Садбери, Онтарио, нейтринный детектор СНО использует тяжелую воду для обнаружения нейтрино, тогда как в эксперименте СНО + будет использоваться жидкий сцинтиллятор.
А нейтринная обсерватория IceCube - крупнейший нейтринный детектор в мире, расположенный на южнополюсной станции Амундсен-Скотт в Антарктике, - использует антарктический лед для обнаружения нейтринных взаимодействий. Во всех случаях объекты чрезвычайно изолированы и полагаются на очень дорогое оборудование.
Однако эксперимент COHERENT значительно меньше и экономичнее: он весит всего 14,5 кг (32 фунта) и занимает гораздо меньше места. Эксперимент был создан, чтобы использовать преимущества существующей системы на основе ускорителя SNS, которая производит самые интенсивные импульсные нейтронные пучки в мире, чтобы разбить атомы ртути пучками протонов.
Этот процесс создает огромное количество нейтронов, которые используются для различных научных экспериментов. Однако этот процесс также создает значительное количество нейтрино в качестве побочного продукта. Чтобы воспользоваться этим, команда COHERENT начала разработку нейтринного эксперимента, известного как «аллея нейтрино». Расположенные в подвальном коридоре всего в 20 метрах (45 футов) от ртутного резервуара, толстые бетонные стены и гравий обеспечивают естественную защиту.
Коридор также оснащен большими резервуарами для воды, чтобы блокировать дополнительные нейтрино, космические лучи и другие частицы. Но в отличие от других экспериментов детекторы COHERENT ищут признаки нейтрино, врезавшихся в ядра других атомов. Для этого команда оборудовала коридор детекторами, которые основаны на сцинтилляционном кристалле йодида цезия, который также использует одий для увеличения яркости световых сигналов, вызванных взаимодействиями нейтрино.
Хуан Коллар, физик из Чикагского университета, руководил командой разработчиков, которые создали детектор, используемый в SNS. Как он объяснил, это был подход «назад к основам», который покончил с более дорогими и массивными детекторами:
«Возможно, это самый пешеходный тип детектора радиации, который существует уже около ста лет. Легированный натрием йодид цезия объединяет все свойства, необходимые для работы небольшого «портативного» когерентного детектора нейтрино. Очень часто меньше значит больше ».
Благодаря их эксперименту и усовершенствованию SNS исследователи смогли определить, что нейтрино способны связываться с кварками посредством обмена нейтральными Z-бозонами. Этот процесс, известный как когерентное упругое нейтринно-ядерное рассеяние (CEvNS), впервые был предсказан в 1973 году. Но до сих пор ни одна экспериментальная или исследовательская группа не смогла это подтвердить.
Как указал Джейсон Ньюби, эксперимент удался во многом благодаря совершенствованию существующего оборудования. «Энергия нейтрино SNS почти идеально настроена для этого эксперимента - достаточно большая, чтобы создать детектируемый сигнал, но достаточно мала, чтобы воспользоваться условием когерентности», - сказал он. «Единственный дымящийся пистолет взаимодействия - это небольшое количество энергии, передаваемой одному ядру».
Полученные данные были также чище, чем в предыдущих экспериментах, поскольку нейтрино (например, нейтронный пучок SNS, который их производил) также были импульсными. Это позволило легко отделить сигнал от фоновых сигналов, что дало преимущество перед стационарными источниками нейтрино, такими как те, которые производятся ядерными реакторами.
Команда также обнаружила три «аромата» нейтрино, которые включали мюонные нейтрино, мюонные антинейтрино и электронные нейтрино. В то время как мюонные нейтрино появились мгновенно, другие были обнаружены через несколько микросекунд. Исходя из этого, команда COHERENT проверила не только теорию CEvNS, но и Стандартную модель физики элементарных частиц. Их результаты также имеют значение для астрофизики и космологии.
Как объяснила Кейт Шолберг, физик из Университета Дьюка и пресс-секретарь COHERENT:
«Когда массивная звезда коллапсирует, а затем взрывается, нейтрино сбрасывают огромную энергию в звездную оболочку. Понимание процесса способствует пониманию того, как происходят эти драматические события ... Данные COHERENT помогут в интерпретации измерений свойств нейтрино экспериментами по всему миру. Мы также можем использовать когерентное рассеяние, чтобы лучше понять структуру ядра ».
Хотя нет необходимости в дополнительном подтверждении их результатов, исследователи COHERENT планируют провести дополнительные измерения, чтобы наблюдать когерентные взаимодействия нейтрино с различными скоростями (еще одна сигнатура процесса). Исходя из этого, они надеются расширить свои знания о природе CEvNS, а также о других основных свойствах нейтрино, таких как их собственный магнетизм.
Это открытие, безусловно, было впечатляющим само по себе, учитывая, что оно подтверждает аспект как Стандартной модели физики элементарных частиц, так и космологии Большого взрыва. Но тот факт, что метод обеспечивает более чистые результаты и использует инструменты, которые значительно меньше и дешевле, чем другие эксперименты, - это очень впечатляет!
Последствия этого исследования, несомненно, будут далеко идущими, и будет интересно посмотреть, какие еще открытия он сделает в будущем!
