Neutrinot ovat yksi universumin muodostavista perushiukkasista. Muihin tyyppisiin hiukkasiin verrattuna niillä on hyvin pieni massa, ei varausta ja ne ovat vuorovaikutuksessa muiden kanssa vain heikon ydinvoiman ja painovoiman kautta. Sellaisenaan todisteiden löytäminen perillisten vuorovaikutuksesta on erittäin vaikeaa, mikä edellyttää massiivisia instrumentteja, jotka sijaitsevat syvällä maan alla, suojaamaan niitä kaikista häiriöistä.
Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa (ORNL) sijaitsevan tutkimuslaitoksen Spallation Neutron Source (SNS) - tutkimuslaitoksen avulla - kansainvälinen tutkijaryhmä kuitenkin teki hiljattain historiallisen löytön neutriinoista täysin eri menetelmällä. Osana COHERENT-kokeilua nämä tulokset vahvistavat 43 vuotta sitten tehdyn ennusteen ja tarjoavat uusia mahdollisuuksia neutrino-tutkimukselle.
Tutkimusta, joka yksityiskohtia heidän havainnoistaan, nimeltään ”Koherentin elastisen neutrino-ytimen sironnan havaitseminen”, julkaistiin äskettäin lehdessä tiede. Tutkimus tehtiin osana COHERENT-kokeilua, joka oli 80 tutkijan yhteistyö 19 instituutiosta 4: stä maasta ja joka on jo vuoden ajan etsinyt sitä, joka tunnetaan nimellä Coherent Elastinen Neutrino-Ydin Hajonta (CEvNS).
Löytäessään todisteita tästä käytöksestä, COHERENT on pääosin tehnyt historiaa. Kuten ORNL: n fyysikko ja COHERENTin tekninen koordinaattori Jason Newby sanoi, ORNL: n lehdistötiedotteessa:
"Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa tehty ainutlaatuinen hiukkasfysiikkakoe mittasi ensimmäisenä matalaenergiaisten neutriinojen koherenttia sirontaa ytimistä."
Hiukkasfysiikan standardimalli osoittaa kaiken jakamisen, että neutriinot ovat leptoneja, hiukkasia, jotka ovat vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa erittäin heikosti. Ne luodaan radioaktiivisen hajoamisen, tähtiä käyttävien ydinreaktioiden ja supernovien kautta. Kosmologian Big Bang -malli ennustaa myös, että neutriinot ovat olemassa olevista runsaimmista hiukkasista, koska ne ovat sivutuote maailmankaikkeuden luomisesta.
Sellaisena heidän tutkimuksensa on ollut tärkeä painopiste teoreettisille fyysikoille ja kosmologeille. Aikaisemmissa tutkimuksissa neutriinovuorovaikutukset havaittiin käyttämällä kirjaimellisesti tonnia kohdemateriaalia ja tutkimalla sitten hiukkasmuutoksia, jotka aiheutuivat heitä lyövistä neutriinoista.
Esimerkkejä ovat Japanin Super-Kamiokanden observatorio, maanalainen laitos, jossa kohdemateriaalina on 50 000 tonnia ultrapuhdasta vettä. SNOLABin Sudbury Neutrino Observatory - joka sijaitsee entisessä kaivoskompleksissa lähellä Sudburya, Ontariossa - tapauksessa SNO-neutriinodetektori luottaa raskaaseen veteen neutrinoiden havaitsemiseksi, kun taas SNO + -kokeessa käytetään nestetuikeainetta.
Ja IceCube Neutrino-observatorio - maailman suurin neutriinodetektori, joka sijaitsee Amundsenin ja Scottin etelänavan asemalla Antarktikassa - luottaa Antarktisen jäähän neutriinovuorovaikutusten havaitsemiseen. Kaikissa tapauksissa tilat ovat erittäin eristettyjä ja luottavat erittäin kalliisiin laitteisiin.
YHTEINEN kokeilu on kuitenkin verrattain pienempi ja taloudellisempi, sillä se painaa vain 14,5 kg (32 lbs) ja vie paljon vähemmän tilaa. Koe luotiin hyödyntämään olemassa olevaa SNS-kiihdyttimeen perustuvaa järjestelmää, joka tuottaa maailman voimakkaimmin pulssitetut neutronisäteet, jotta elohopeaatomit murskataan protonikeiloilla.
Tämä prosessi luo valtavia määriä neutroneja, joita käytetään erilaisiin tieteellisiin kokeisiin. Prosessi luo kuitenkin myös merkittävän määrän neutriinoja sivutuotteena. Hyödyntääksesi tätä, COHERENT-ryhmä aloitti neutriinokokeen, joka tunnetaan nimellä “neutriinokuja”, kehittämisen. Paksut betoniseinät ja sora sijaitsevat kellarikäytävässä vain 20 metrin (45 jalan) päässä elohopea-tankista, ja ne tarjoavat luonnollisen suojan.
Käytävässä on myös suuret vesisäiliöt, jotta ne estävät ylimääräisiä neutriinoja, kosmisia säteitä ja muita hiukkasia. Mutta toisin kuin muut kokeet, COHERENT-ilmaisimet etsivät merkkejä siitä, että neutriinot törmäävät muiden atomien ytimiin. Tätä varten ryhmä varustettiin käytävällä ilmaisimilla, jotka tukeutuvat cesiumjodidiscintillaattorikiteeseen, joka käyttää myös odiumia lisäämään neutriinovuorovaikutusten aiheuttamien valosignaalien näkyvyyttä.
Chicagon yliopiston fyysikko Juan Collar johti suunnitteluryhmää, joka loi SNS: ssä käytetyn ilmaisimen. Kuten hän selitti, tämä oli "perustiedot" -lähestymistapa, joka poisti kalliimmat ja massiiviset ilmaisimet:
"Ne ovat kiistatta jalankulkijoiden säteilyilmaisimia, joita on ollut olemassa jo vuosisadan ajan. Natriumilla seostettu cesiumjodidi yhdistää kaikki ominaisuudet, joita tarvitaan toimimaan pienenä, "kädessä pidettävänä" koherenttina neutriinodetektorina. Hyvin usein vähemmän on enemmän. ”
Kokeilunsa ja SNS: n hienostuneisuutensa ansiosta tutkijat pystyivät selvittämään, että neutriinot kykenevät kytkeytymään kvarkeihin vaihtamalla neutraaleja Z-bosoneja. Tätä prosessia, joka tunnetaan nimellä Coherent Elastinen Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), ennustettiin ensimmäisen kerran vuonna 1973. Mutta toistaiseksi mikään koe tai tutkimusryhmä ei ole pystynyt vahvistamaan sitä.
Kuten Jason Newby totesi, kokeilu onnistui suurelta osin olemassa olevan laitoksen hienostuneisuuden ansiosta. "SNS-neutriinojen energia on lähes täydellisesti viritetty tätä koetta varten - riittävän suuri tuottamaan havaittavissa oleva signaali, mutta riittävän pieni hyödyntämään koherenttiolosuhteita", hän sanoi. "Ainoa vuorovaikutuksen tupakointipistooli on pieni ydinosaan syötetty energia."
Sen tuottama tieto oli myös puhtaampaa kuin aikaisemmissa kokeissa, koska myös neutriinoja (kuten niitä tuottavan SNS-neutronisäteen) pulssitettiin. Tämä sallii signaalin helpon erottamisen taustasignaaleista, mikä tarjosi edun vakaan tilan neutriinolähteisiin nähden - kuten sellaisiin, joita ydinreaktorit tuottavat.
Ryhmä havaitsi myös kolme “makua” neutriinoja, joihin sisältyi muonineutriinoja, muoni-antineutrinoja ja elektronineutriinoja. Kun muonineutriinot syntyivät hetkessä, muut havaittiin muutama mikrosekuntia myöhemmin. Tämän perusteella COHERENT-ryhmä ei vain validoinut CEvNS-teoriaa, vaan myös hiukkasfysiikan standardimallia. Heidän havainnoillaan on vaikutuksia myös astrofysiikkaan ja kosmologiaan.
Kuten Duke Universityn fyysikko ja COHERENTin edustaja Kate Scholberg selitti:
”Kun massiivinen tähti romahtaa ja räjähtää sitten, neutriinot vievät valtavan energian tähtikuoreen. Prosessin ymmärtäminen auttaa ymmärtämään, kuinka nämä dramaattiset tapahtumat tapahtuvat ... COHERENTin tiedot auttavat tulkitsemaan neutriinoominaisuuksien mittauksia kokeiluilla maailmanlaajuisesti. Saatamme myös pystyä käyttämään koherenttia sirontaa ymmärtääksesi ytimen rakennetta paremmin. "
Vaikka tuloksia ei tarvitse enää vahvistaa, COHERENT-tutkijat suunnittelevat ylimääräisten mittausten tekemistä koherenttien neutriinovuorovaikutusten tarkkailemiseksi erillisillä nopeuksilla (prosessin toinen allekirjoitus). Tästä eteenpäin he toivovat voivansa laajentaa tietämystä CEvNS: n luonteesta sekä muista neutriinojen perusominaisuuksista - kuten luontaisesta magnetillisuudestaan.
Tämä löytö oli varmasti vaikuttava sinänsä, kun otetaan huomioon se, että se vahvistaa osan hiukkasfysiikan standardimallista ja Big Bang -kosmologiasta. Mutta se, että menetelmä tarjoaa puhtaampia tuloksia ja luottaa instrumentteihin, jotka ovat huomattavasti pienempiä ja halvempia kuin muut kokeilut - se on erittäin vaikuttavaa!
Tämän tutkimuksen vaikutukset ovat varmasti kauaskantoisia, ja on mielenkiintoista nähdä, mitä muita löytöjä se mahdollistaa tulevaisuudessa!
