Neitrīni ir viena no pamatdaļiņām, kas veido Visumu. Salīdzinot ar cita veida daļiņām, tām ir ļoti maza masa, bez maksas un tās mijiedarbojas tikai ar vāju kodolieroču un gravitācijas spēku. Tāpēc mantinieku mijiedarbības pierādījumus ir ārkārtīgi grūti atrast, un, lai tos pasargātu no jebkādiem traucējumiem, nepieciešami masīvi instrumenti, kas atrodas dziļi pazemē.
Tomēr, izmantojot Spallation Neutron Source (SNS), pētniecības iestādi, kas atrodas Oak Ridge Nacionālajā laboratorijā (ORNL) - starptautiska pētnieku grupa nesen veica vēsturisku atklājumu par neitrīniem, izmantojot pavisam citu metodi. SASKAŅOTĀ eksperimenta ietvaros šie rezultāti apstiprina prognozi, kas izteikta pirms 43 gadiem, un piedāvā jaunas iespējas neitrīno pētījumu veikšanai.
Nesen žurnālā tika publicēts pētījums, kurā sīki aprakstīti viņu atklājumi ar nosaukumu “Koherentu elastīgu neitrīno kodola izkliedes novērošana”. Zinātne. Pētījums tika veikts kā daļa no COHERENT eksperimenta, kurā piedalījās 80 pētnieki no 19 institūcijām no vairāk nekā 4 valstīm, un vairāk nekā gadu ir meklējis tā saukto elastīgo neitrīno un kodolu izkliedi (CEvNS).
Atrodot pierādījumus par šo izturēšanos, COHERENT būtībā ir izveidojusi vēsturi. Kā ORNL fiziķis un COHERENT tehniskais koordinators Džeisons Ņūbijs sacīja ORNL paziņojumā presei:
"Vienreizējs daļiņu fizikas eksperiments Oak Ridžas Nacionālajā laboratorijā bija pirmais, kas mērīja zemas enerģijas neitrīnu koherentās izkliedes pie kodoliem."
Lai to visu sadalītu, daļiņu fizikas standarta modelis norāda, ka neitrīni ir leptoni - daļiņa, kas ļoti vāji mijiedarbojas ar citām matērijām. Tie tiek radīti radioaktīvās sabrukšanas, kodolenerģijas reakcijas rezultātā, kas darbina zvaigznes, un no supernovām. Lielā sprādziena kosmoloģijas modelis arī paredz, ka neitrīni ir visbagātākās esošās daļiņas, jo tās ir Visuma radīšanas blakusprodukts.
Kā tāds viņu pētījums ir bijis galvenā uzmanība teorētiskajiem fiziķiem un kosmologiem. Iepriekšējos pētījumos neitrīno mijiedarbība tika atklāta, izmantojot burtiski tonnas mērķa materiāla un pēc tam pārbaudot daļiņu pārvērtības, kas radušās no neitrīno trieciena tām.
Kā piemērus var minēt Super-Kamiokande observatoriju Japānā - pazemes objektu, kurā mērķa materiāls ir 50 000 tonnu īpaši tīra ūdens. SNOLAB Sudbury Neutrino observatorijas gadījumā, kas atrodas bijušajā mīnu kompleksā netālu no Sudbury, Ontārio, SNO neitrīno detektors neitrīno noteikšanai paļaujas uz smago ūdeni, bet SNO + eksperiments izmantos šķidruma scintilatoru.
Un IceCube Neutrino observatorija - lielākais neitrīno detektors pasaulē, kas atrodas Amundsena un Skota Dienvidpola stacijā Antarktīdā - paļaujas uz Antarktikas ledu, lai noteiktu neitrīno mijiedarbību. Visos gadījumos telpas ir ārkārtīgi izolētas un paļaujas uz ļoti dārgu aprīkojumu.
COHERENT eksperiments tomēr ir ārkārtīgi mazāks un ekonomiskāks, salīdzinot ar svaru tikai 14,5 kg (32 mārciņas) un kosmosa veidā aizņem daudz mazāk. Eksperiments tika izveidots, lai izmantotu esošo uz SNS paātrinātāju balstīto sistēmu, kas rada pasaulē visintensīvākos impulsu neitronu starus, lai sagrautu dzīvsudraba atomus ar protonu stariem.
Šis process rada lielu daudzumu neitronu, ko izmanto dažādiem zinātniskiem eksperimentiem. Tomēr process rada arī ievērojamu neitrīnu daudzumu kā blakusproduktu. Lai to izmantotu, COHERENT komanda sāka attīstīt neitrīno eksperimentu, kas pazīstams kā “neitrīno aleja”. Biezās betona sienas un grants, kas atrodas pagraba koridorā tikai 20 metru (45 pēdu) attālumā no dzīvsudraba tvertnes, nodrošina dabisku vairogu.
Koridors ir arī aprīkots ar lielām ūdens tvertnēm, lai bloķētu papildu neitrīnus, kosmiskos starus un citas daļiņas. Bet atšķirībā no citiem eksperimentiem, COHERENT detektori meklē neitrīnu pazīmes, kas nokļūst citu atomu kodolos. Lai to izdarītu, komanda koridoru aprīkoja ar detektoriem, kas balstās uz cēzija jodīda scintilatoru kristālu, kas arī izmanto odiumu, lai palielinātu neitrīno mijiedarbības izraisīto gaismas signālu pamanāmību.
Čikāgas universitātes fiziķis Huans Kollars vadīja projektēšanas komandu, kas izveidoja SNS izmantoto detektoru. Kā viņš paskaidroja, šī bija “back-to-basics” pieeja, kas atbrīvojās no dārgākiem un apjomīgākiem detektoriem:
“Tie, bez šaubām, ir pieejamākais gājēju veida radiācijas detektors, kas darbojas jau gadsimtu. Ar nātriju leģēts cēzija jodīds apvieno visas īpašības, kas vajadzīgas, lai darbotos kā mazs, “rokas” koherents neitrīno detektors. Ļoti bieži mazāk ir vairāk. ”
Pateicoties viņu eksperimentam un SNS izsmalcinātībai, pētnieki spēja noteikt, ka neitrīni ir spējīgi savienoties ar kvarkiem, apmainoties ar neitrāliem Z bozoniem. Šis process, kas pazīstams kā saskaņotā elastīgā neitrīno un kodola izkliede (CEvNS), pirmo reizi tika prognozēts 1973. gadā. Bet līdz šim neviens eksperiments vai pētījumu grupa nav spējuši to apstiprināt.
Kā norādīja Džeisons Ņūbijs, eksperiments lielākoties izdevies, pateicoties esošās iekārtas izsmalcinātībai. "SNS neitrīno enerģija šim eksperimentam ir gandrīz perfekti noregulēta - pietiekami liela, lai radītu nosakāmu signālu, bet pietiekami maza, lai izmantotu koherences nosacījumu," viņš sacīja. "Vienīgais mijiedarbības smēķēšanas lielgabals ir neliels enerģijas daudzums, kas tiek pievadīts vienam kodolam."
Tā iegūtie dati bija arī tīrāki nekā iepriekšējos eksperimentos, jo arī neitrīni (tāpat kā SNS neitronu stars, kas tos radīja) tika pulsēti. Tas ļāva viegli atdalīt signālu no fona signāliem, kas piedāvāja priekšrocības salīdzinājumā ar līdzsvara stāvokļa neitrīno avotiem - piemēram, tiem, kurus ražo kodolreaktori.
Komanda arī atklāja trīs neitrīnu “garšas”, kas ietvēra neironu neitrīnus, muonu antineutrīnus un elektronu neitrīnus. Ja mūonu neitrīni parādījās acumirklī, pārējās tika atklātas pāris mikrosekundes vēlāk. Pēc tam COHERENT komanda ne tikai apstiprināja CEvNS teoriju, bet arī daļiņu fizikas standarta modeli. Viņu atradumi ietekmē arī astrofiziku un kosmoloģiju.
Kā skaidroja Keita Šolberga, fiziķe no Djūka universitātes un COHERENT pārstāve:
“Kad masīva zvaigzne sabrūk un pēc tam eksplodē, neitrīni izgāž milzīgu enerģiju zvaigžņu apvalkā. Izpratne par procesu veicina izpratni par to, kā notiek šie dramatiskie notikumi ... COHERENT dati palīdzēs interpretēt neitrīno īpašību mērījumus, veicot eksperimentus visā pasaulē. Iespējams, mēs arī varēsim izmantot koherentu izkliedi, lai labāk izprastu kodola struktūru. ”
Lai gan nav nepieciešams sīkāk apstiprināt to rezultātus, COHERENT pētnieki plāno veikt papildu mērījumus, lai novērotu saskaņotu neitrīno mijiedarbību ar atšķirīgiem ātrumiem (cits procesa paraksts). Pēc tam viņi cer paplašināt savas zināšanas par CEvNS raksturu, kā arī citām neitrīno pamata īpašībām - piemēram, to raksturīgo magnētismu.
Šis atklājums pats par sevi noteikti bija iespaidīgs, ņemot vērā, ka tas apstiprina gan daļiņu fizikas standarta modeļa, gan Lielā sprādziena kosmoloģijas aspektu. Bet tas, ka metode piedāvā tīrākus rezultātus un paļaujas uz instrumentiem, kas ir ievērojami mazāki un lētāki nekā citi eksperimenti - tas ir ļoti iespaidīgi!
Šī pētījuma sekas noteikti ir tālejošas, un būs interesanti redzēt, kādus citus atklājumus tas nākotnē atļauj!
