Neutrinoer er en af de grundlæggende partikler, der udgør universet. Sammenlignet med andre typer partikler har de meget lidt masse, uden ladning og interagerer kun med andre via den svage atomkraft og tyngdekraft. Som sådan er det meget vanskeligt at finde beviser for arvemæssige interaktioner, hvilket kræver massive instrumenter placeret dybt under jorden for at beskytte dem mod enhver interferens.
Imidlertid brugte Spallation Neutron Source (SNS), en forskningsfacilitet beliggende på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - et internationalt team af forskere for nylig en historisk opdagelse om neutrinoer ved hjælp af en helt anden metode. Som en del af COHERENT-eksperimentet bekræfter disse resultater en forudsigelse for 43 år siden og giver nye muligheder for neutrino-forskning.
Undersøgelsen, der detaljerede deres fund, med titlen "Observation af sammenhængende elastisk neutrino-nucleus-spredning", blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskab. Forskningen blev udført som en del af COHERENT-eksperimentet, et samarbejde med 80 forskere fra 19 institutioner fra mere end 4 nationer, der har søgt efter det, der er kendt som Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) i over et år.
Når COHERENT har fundet bevis for denne opførsel, har den i det væsentlige gjort historie. Som Jason Newby, en ORNL-fysiker og den tekniske koordinator for COHERENT, sagde i en ORNL-pressemeddelelse:
”Det enestående partikelfysikeksperiment ved Oak Ridge National Laboratory var den første til at måle sammenhængende spredning af neutrinoer med lav energi fra kerner.”
For at nedbryde det hele angiver standardmodellen for partikelfysik, at neutrinoer er leptoner, en partikel, der interagerer med andet stof meget svagt. De er skabt gennem radioaktivt henfald, de nukleare reaktioner, der styrker stjerner, og fra supernovaer. Big Bang-modellen af kosmologi forudser også, at neutrinoer er de mest rigelige partikler i eksistensen, da de er et biprodukt fra oprettelsen af universet.
Som sådan har deres undersøgelse været et vigtigt samlingspunkt for teoretiske fysikere og kosmologer. I tidligere undersøgelser blev neutrino-interaktioner påvist ved hjælp af bogstaveligt talt ton målmateriale og derefter undersøge partikeltransformationerne, der var resultatet af neutrinoer, der ramte dem.
Eksempler inkluderer Super-Kamiokande-observatoriet i Japan, et underjordisk anlæg, hvor målmaterialet er 50.000 tons ultrapure vand. For SNOLABs Sudbury Neutrino-observatorium - som er placeret i et tidligere minerkompleks nær Sudbury, Ontario - er SNO-neutrino-detektoren afhængig af tungt vand til neutrino-påvisning, mens SNO + -eksperimentet bruger en flydende scintillator.
Og IceCube Neutrino Observatory - den største neutrino detektor i verden, beliggende ved Amundsen – Scott South Pole Station i Antarktis - er afhængig af Antarktis is for at opdage neutrino interaktioner. I alle tilfælde er faciliteterne ekstremt isolerede og er afhængige af et meget dyrt udstyr.
COHERENT-eksperimentet er imidlertid enormt mindre og mere økonomisk til sammenligning, vejer kun 14,5 kg (32 lbs) og optager langt mindre i vejen for rummet. Eksperimentet blev oprettet for at drage fordel af det eksisterende SNS-acceleratorbaserede system, der producerer de mest intense pulserede neutronstråler i verden for at slå kviksølvatomer med protonerbjælker.
Denne proces skaber enorme mængder neutroner, der bruges til forskellige videnskabelige eksperimenter. Imidlertid skaber processen også en betydelig mængde neutrinoer som biprodukt. For at drage fordel af dette begyndte COHERENT-teamet med at udvikle et neutrino-eksperiment kendt som ”neutrino alley”. De tykke betonvægge og grus ligger i en kælderkorridor kun 20 meter fra kviksølvbeholderen og giver naturlig afskærmning.
Korridoren er også udstyret med store vandtanke til at blokere yderligere neutrinoer, kosmiske stråler og andre partikler. Men i modsætning til andre eksperimenter ser COHERENT-detektorerne efter tegn på neutrinoer, der støder ind i kerne i andre atomer. For at gøre dette udstyrede teamet korridoren med detektorer, der er afhængige af en cesiumiodid-scintillatorkrystall, som også bruger odium til at øge prominensen af lyssignaler forårsaget af neutrino-interaktioner.
Juan Collar, en fysiker fra University of Chicago, ledede designteamet, der skabte detektoren, der blev brugt på SNS. Som han forklarede, var dette en "back-to-basics" tilgang, der fjernede dyrere og massive detektorer:
”De er uden tvivl den mest fodgængende slags strålingsdetektor, der findes, efter at have eksisteret i et århundrede. Natriumdopet cæsiumiodid fusionerer alle de egenskaber, der kræves for at fungere som en lille 'håndholdt' kohærent neutrino detektor. Meget ofte er mindre mere. ”
Takket være deres eksperiment og SNS's sofistikering var forskerne i stand til at bestemme, at neutrinoer er i stand til at kobles til kvarker gennem udvekslingen af neutrale Z-bosoner. Denne proces, der kaldes Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), blev først forudsagt i 1973. Men indtil nu har intet eksperiment eller forskerteam været i stand til at bekræfte den.
Som Jason Newby antydede lykkedes eksperimentet stort set takket være den sofistikerede facilitet. ”Energien fra SNS-neutrinoerne er næsten perfekt indstillet til dette eksperiment - stor nok til at skabe et detekterbart signal, men lille nok til at drage fordel af sammenhængende tilstand,” sagde han. "Den eneste rygende pistol i samspillet er en lille mængde energi, der tilføres en enkelt kerne."
De data, det producerede, var også renere end ved tidligere eksperimenter, da neutrinoerne (som SNS-neutronstrålen, der producerede dem) også blev pulseret. Dette muliggjorde let adskillelse af signalet fra baggrundsignaler, som gav en fordel i forhold til neutrino-kilder med stabil tilstand - såsom dem, der er produceret af atomreaktorer.
Holdet opdagede også tre "smagsstoffer" af neutrinoer, der inkluderede muonneutrinoer, muon-antineutrinoer og elektronneutrinoer. Mens muonneutrinoerne opstod øjeblikkeligt, blev de andre opdaget et par mikrosekunder senere. Fra dette validerede COHERENT-teamet ikke kun teorien om CEvNS, men også standardmodellen for partikelfysik. Deres fund har også konsekvenser for astrofysik og kosmologi.
Som Kate Scholberg, en fysiker fra Duke University og COHERENTs talsmand, forklarede:
”Når en massiv stjerne kollapser og eksploderer, dumper neutrinoerne enorm energi i stjernekonvolutten. At forstå processen feeds til forståelse af, hvordan disse dramatiske begivenheder opstår ... COHERENTs data vil hjælpe med fortolkning af målinger af neutrinoegenskaber ved eksperimenter overalt i verden. Vi kan muligvis også bruge kohærent spredning for bedre at forstå strukturen i kernen. ”
Selvom der ikke er behov for yderligere bekræftelse af deres resultater, planlægger COHERENT-forskerne at foretage yderligere målinger for at observere sammenhængende neutrinointeraktioner med forskellige hastigheder (en anden underskrift af processen). Fra dette håber de at udvide deres viden om arten af CEvNS såvel som andre basale neutrinoegenskaber - såsom deres egen magnetisme.
Denne opdagelse var bestemt imponerende i sig selv, da den validerer et aspekt af både standardmodellen for partikelfysik og Big Bang-kosmologi. Men det faktum, at metoden giver renere resultater og er afhængig af instrumenter, der er væsentligt mindre og billigere end andre eksperimenter - det er meget imponerende!
Konsekvenserne af denne forskning er helt sikkert vidtgående, og det vil være interessant at se, hvilke andre opdagelser den muliggør i fremtiden!
