Neutrino er en av de grunnleggende partiklene som utgjør universet. Sammenlignet med andre typer partikler har de veldig liten masse, uten ladning, og samhandler bare med andre via den svake atomkraften og tyngdekraften. Som sådan er det ekstremt vanskelig å finne bevis på arvingskontakt, og det krever enorme instrumenter som ligger dypt under jorden for å beskytte dem mot interferens.
Imidlertid, ved hjelp av Spallation Neutron Source (SNS), et forskningsanlegg som ligger ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - et internasjonalt team av forskere gjorde nylig et historisk funn om nøytrinoer ved å bruke en helt annen metode. Som en del av COHERENT-eksperimentet bekrefter disse resultatene en prediksjon for 43 år siden og gir nye muligheter for nøytrino-forskning.
Studien som beskriver funnene deres, med tittelen "Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering", ble nylig publisert i tidsskriftet Vitenskap. Forskningen ble utført som en del av COHERENT-eksperimentet, et samarbeid med 80 forskere fra 19 institusjoner fra mer enn 4 nasjoner som i mer enn ett år har søkt etter det som er kjent som Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS).
I å finne bevis på denne oppførselen, har COHERENT i det vesentlige gjort historie. Som Jason Newby, en ORNL-fysiker og teknisk koordinator for COHERENT, sa i en pressemelding fra ORNL:
"Det enestående partikkelfysikkforsøket ved Oak Ridge National Laboratory var det første som målte sammenhengende spredning av nøytrinoer med lav energi fra kjerner."
For å bryte det hele, indikerer standardmodellen for partikkelfysikk at nøytrinoer er leptoner, en partikkel som interagerer med annen materie veldig svakt. De er skapt gjennom radioaktivt forfall, kjernefysiske reaksjoner som makter stjerner, og fra supernovaer. Big Bang-modellen for kosmologi spår også at nøytrinoer er de mest tallrike partiklene som eksisterer, siden de er et biprodukt fra opprettelsen av universet.
Som sådan har studien deres vært et viktig samlingspunkt for teoretiske fysikere og kosmologer. I tidligere studier ble nøytrino-interaksjoner oppdaget ved å bruke bokstavelig talt tonn målmateriale og deretter undersøke partikkeltransformasjonene som ble resultatet av nøytrinoer som slo dem.
Eksempler inkluderer Super-Kamiokande-observatoriet i Japan, et underjordisk anlegg der målmaterialet er 50 000 tonn ultrafent vann. Når det gjelder SNOLABs Sudbury Neutrino Observatory - som ligger i et tidligere gruvekompleks i nærheten av Sudbury, Ontario - er SNO-neutrino-detektoren avhengig av tungt vann for nøytrino-påvisning, mens SNO + -eksperimentet vil bruke en flytende scintillator.
Og IceCube Neutrino Observatory - den største nøytrino-detektoren i verden, som ligger ved Amundsen – Scott South Pole Station i Antarktis - er avhengig av Antarktis-isen for å oppdage neutrino-interaksjoner. I alle tilfeller er fasilitetene ekstremt isolerte og er avhengige av et veldig dyrt utstyr.
COHERENT-eksperimentet er imidlertid utrolig mindre og mer økonomisk til sammenligning, veier bare 14,5 kg (32 pund) og opptar langt mindre i veien for verdensrommet. Eksperimentet ble opprettet for å dra nytte av det eksisterende SNS-akseleratorbaserte systemet, som produserer de mest intense pulserte nøytronstrålene i verden for å knuse kvikksølvatomer med protonerstråler.
Denne prosessen skaper enorme mengder nøytroner som brukes til forskjellige vitenskapelige eksperimenter. Imidlertid skaper prosessen også en betydelig mengde nøytrinoer som biprodukt. For å dra nytte av dette begynte COHERENT-teamet å utvikle et neutrino-eksperiment kjent som "neutrino-smug". De tykke betongveggene og grusen ligger i en kjellerkorridor bare 20 meter fra kvikksølvetanken og gir naturlig skjerming.
Korridoren er også utstyrt med store vanntanker for å blokkere ytterligere nøytrinoer, kosmiske stråler og andre partikler. Men i motsetning til andre eksperimenter, ser COHERENT-detektorene etter tegn til nøytrinoer som støter inn i kjernen til andre atomer. For å gjøre dette utstyrte teamet korridoren med detektorer som er avhengige av en cesiumjodid-scintillatorkrystall, som også bruker odium for å øke prominensen til lyssignaler forårsaket av neutrino-interaksjoner.
Juan Collar, en fysiker fra University of Chicago, ledet designteamet som opprettet detektoren som ble brukt ved SNS. Som han forklarte, var dette en "tilbake-til-grunnleggende" tilnærming som gjorde unna dyrere og massive detektorer:
"De er uten tvil den mest tilgjengelige strålingsdetektoren for fotgjengere, som har eksistert i et århundre. Sodiumdopert cesiumiodid fusjonerer alle egenskapene som kreves for å fungere som en liten, 'håndholdt' koherent nøytrino-detektor. Svært ofte er mindre mer. ”
Takket være eksperimentet og sofistikering av SNS, var forskerne i stand til å bestemme at nøytrinoer er i stand til å koble seg til kvarker gjennom utveksling av nøytrale Z-bosoner. Denne prosessen, som er kjent som Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), ble først spådd i 1973. Men til nå har ingen eksperiment eller forskerteam kunnet bekrefte den.
Som Jason Newby antydet, lyktes eksperimentet i stor grad takket være raffinementet av det eksisterende anlegget. "Energien fra SNS-nøytrinoene er nesten perfekt innstilt for dette eksperimentet - stor nok til å lage et detekterbart signal, men lite nok til å dra nytte av koherensbetingelsen," sa han. "Den eneste røykepistolen i samspillet er en liten mengde energi som tilføres en enkelt kjerne."
Dataene den produserte var også renere enn ved tidligere eksperimenter, siden nøytrinoene (som SNS-nøytronstrålen som produserte dem) også ble pulset. Dette muliggjorde enkel adskillelse av signalet fra bakgrunnssignaler, som ga en fordel i forhold til neutrino-kilder i jevn tilstand - som de som er produsert av atomreaktorer.
Teamet oppdaget også tre "smaker" av nøytrinoer, som inkluderte muonneutrinoer, muon antineutrino og elektronnøytrinoer. Mens muon-nøytrinoene dukket opp øyeblikkelig, ble de andre oppdaget noen få mikrosekunder senere. Fra dette validerte COHERENT-teamet ikke bare teorien om CEvNS, men også standardmodellen for partikkelfysikk. Funnene deres har også konsekvenser for astrofysikk og kosmologi.
Som Kate Scholberg, en fysiker fra Duke University og COHERENTs talsperson, forklarte:
“Når en massiv stjerne kollapser og deretter eksploderer, dumper nøytrinoene enorm energi i stjernekonvolutten. Å forstå prosessen strømmer inn i forståelsen av hvordan disse dramatiske hendelsene oppstår ... COHERENTs data vil hjelpe med tolkning av målinger av nøytrinoegenskaper ved eksperimenter over hele verden. Vi kan også være i stand til å bruke sammenhengende spredning for å bedre forstå strukturen i kjernen. "
Selv om det ikke er behov for ytterligere bekreftelse av resultatene, planlegger COHERENT-forskerne å utføre ytterligere målinger for å observere sammenhengende nøytrinointeraksjoner med forskjellige hastigheter (en annen signatur av prosessen). Fra dette håper de å utvide kunnskapen om arten av CEvNS, så vel som andre grunnleggende nøytrinoegenskaper - for eksempel deres egen magnetisme.
Denne oppdagelsen var absolutt imponerende i seg selv, gitt at den validerer et aspekt av både standardmodellen for partikkelfysikk og Big Bang-kosmologi. Men det faktum at metoden gir renere resultater og er avhengig av instrumenter som er betydelig mindre og rimeligere enn andre eksperimenter - det er veldig imponerende!
Implikasjonene av denne forskningen vil sikkert være vidtrekkende, og det vil være interessant å se hvilke andre funn den muliggjør i fremtiden!
