Ο ανιχνευτής μεγέθους κανάτας γάλακτος συλλαμβάνει τα νετρίνα με έναν εντελώς νέο τρόπο

Οι φυσικοί εντόπισαν άπιαστα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα να ξεκολλούν από τους ατομικούς πυρήνες με τρόπο που είχε προβλεφθεί πριν από περισσότερα από 40 χρόνια, αλλά δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ πριν. Ακόμη πιο αξιοσημείωτο, εντόπισαν το φαινόμενο της διασποράς όχι με έναν γιγάντιο ανιχνευτή βάρους χιλιάδων τόνων, αλλά με μια συσκευή στο μέγεθος μιας κανάτας γάλακτος. Η πρόοδος θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο σε φορητούς ανιχνευτές νετρίνων που θα μπορούσαν να παρακολουθούν τις πυρηνικές εγκαταστάσεις και, για παράδειγμα, να μυρίζουν νετρίνα που δημιουργούνται στην παραγωγή πλουτωνίου.

«Είναι μια πραγματική συγκίνηση που κάτι που είχα προβλέψει πριν από 43 χρόνια έχει πραγματοποιηθεί πειραματικά», λέει ο Daniel Freedman, επίτιμος θεωρητικός φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ, ο οποίος το 1974 παρουσίασε τη θεωρία του φαινομένου, που ονομάζεται συνεκτική ελαστική. σκέδαση νετρίνου-πυρήνα. Η παρατήρηση δεν αλλάζει την κατανόηση των φυσικών για τον πυρήνα ή τα νετρίνα, λέει η Natalie Roe, πειραματίστρια στο Lawrence Berkeley National Laboratory στο Μπέρκλεϊ της Καλιφόρνια, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. Παρόλα αυτά, λέει, "είναι μια περιοδεία να σκάψει αυτό το μικροσκοπικό σήμα."

Τα νετρίνα έρχονται σε τρεις τύπους —ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ— και αλληλεπιδρούν με τους ατομικούς πυρήνες με μερικούς τρόπους. Για παράδειγμα, ένα νετρίνο μιονίου μπορεί να χτυπήσει ένα νετρόνιο σε έναν πυρήνα, μετατρέποντάς το σε πρωτόνιο, ενώ το ίδιο μετατρέπεται σε μιόνιο - ένα βαρύτερο ξάδερφο του ηλεκτρονίου - στη λεγόμενη «οιονεί ελαστική σκέδαση». Ή ένα νετρίνο μπορεί απλά να αναπηδήσει από έναν πυρήνα ενώ διατηρεί τον τύπο του σε απλή «ελαστική σκέδαση». Όλες αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι εξαιρετικά σπάνιες, αλλά παρέχουν το μόνο μέσο για την παρατήρηση των νετρίνων. Για να ανιχνεύσουν μόνο μερικά από τα τρισεκατομμύρια νετρίνα ηλεκτρονίων που περνούν από τον ήλιο μέσα από κάθε τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της Γης κάθε δευτερόλεπτο, οι φυσικοί αναπτύσσουν ανιχνευτές βάρους κιλοτονίων, αυξάνοντας τον αριθμό των πυρήνων σε αυτούς - και τις πιθανότητες τα νετρίνα να χτυπήσουν έναν. Κατά κανόνα, η πιθανότητα αλληλεπίδρασης νετρίνων αυξάνεται με τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων σε έναν πυρήνα.

Ωστόσο, ο Freedman συνειδητοποίησε ότι θα έπρεπε να υπάρχει μια εξαίρεση στον κανόνα. Όπως κάθε κβαντικό σωματίδιο, ένα νετρίνο δρα σαν ένα κύμα με μήκος κύματος που μικραίνει όσο αυξάνεται η ενέργεια του σωματιδίου. Εάν η ενέργεια του νετρίνου είναι υψηλή, το νετρίνο θα αλληλεπιδράσει με ένα μόνο πρωτόνιο ή νετρόνιο. Αλλά αν ένα νετρίνο χαμηλής ενέργειας έχει μήκος κύματος όσο ο πυρήνας είναι πλατύς, θα αλληλεπιδράσει με όλα τα πρωτόνια και τα νετρόνια σε συνεννόηση. Χάρη σε αυτή τη «συνοχή», η πιθανότητα το νετρίνο να αναπηδήσει από τον πυρήνα αυξάνεται, χονδρικά μιλώντας, με τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων στο τετράγωνο, οδηγώντας σε μεγάλη αύξηση του αριθμού των αλληλεπιδράσεων.

Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να υπάρχει πολύ πιο ελαστική σκέδαση σε χαμηλές ενέργειες, και για δεκαετίες οι φυσικοί προσπαθούσαν να το εντοπίσουν σε πειράματα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Αλλά υπάρχει ένα πιάσιμο. Το μόνο σήμα είναι η ανάκρουση του πυρήνα και το νετρίνο χαμηλής ενέργειας του δίνει μόνο ένα αδύναμο, δύσκολο να ανιχνευθεί. «Είναι σαν να χτυπάς μια μπάλα του μπόουλινγκ με μια μπάλα του πινγκ πονγκ», λέει η Kate Scholberg, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Duke στο Durham της Βόρειας Καρολίνας. "Μπορείς να χτυπήσεις την μπάλα του μπόουλινγκ πολύ εύκολα, αλλά δεν πρόκειται να κυλήσει πολύ γρήγορα."

Ωστόσο, ο Scholberg και τα 80 άλλα μέλη της συνεργασίας COHERENT έχουν τώρα ανιχνεύσει συνεκτική σκέδαση νετρίνων, όπως αναφέρουν σήμερα στο Science . Για να το κάνουν αυτό, χρησιμοποίησαν έναν ευαίσθητο ανιχνευτή που αποτελείται από κρυστάλλους ιωδιούχου καισίου εμποτισμένους με νάτριο και βάρους μόλις 14,6 κιλών. Όταν κάτι στέλνει έναν πυρήνα να οπισθοχωρεί σε έναν κρύσταλλο, έστω και λίγο, ο κρύσταλλος παράγει μια μικρή, αλλά ανιχνεύσιμη λάμψη φωτός. Για να δημιουργήσουν τα νετρίνα, οι COHERENT φυσικοί βασίστηκαν στην Πηγή Νετρονίων Spallation (SNS) στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί.

Το SNS παράγει τις πιο έντονες δέσμες νετρονίων στον κόσμο για την έρευνα της επιστήμης των υλικών, αλλά εκπέμπει επίσης άφθονα νετρίνα ως υποπροϊόν. Τα νετρίνα έχουν ελαφρώς υψηλότερη ενέργεια από εκείνα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, καθιστώντας το SNS ακριβώς την κατάλληλη πηγή για το πείραμα, λέει ο Scholberg. Η ενέργεια των νετρίνων είναι ακόμα αρκετά χαμηλή για να παράγει συνεκτική σκέδαση, αλλά αρκετά υψηλή για να παράγει ανιχνεύσιμα σήματα στους κρυστάλλους, λέει. Χρησιμοποιώντας δεδομένα αξίας άνω των 461 ημερών, οι ερευνητές παρατήρησαν 134 γεγονότα σκέδασης νετρίνων, σε καλή συμφωνία με τις προβλέψεις για συνεκτική σκέδαση.

Η ΣΥΝΕΚΤΙΚΗ ομάδα έχει νικήσει τους άλλους μέχρι τη γροθιά. Αυτό περιλαμβάνει μια ομάδα με επικεφαλής τον Leo Stodolsky, φυσικό και επίτιμο διευθυντή στο Max Planck Institute for Physics στο Μόναχο της Γερμανίας, το οποίο αναπτύσσει κρυογονικούς ανιχνευτές που μπορούν να εντοπίσουν πυρηνικές ανάκρουση με πολύ χαμηλότερες ενέργειες. Ελπίζουν να ανιχνεύσουν συνεκτική διασπορά σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. «Οι συνάδελφοί μου και εγώ εξετάζουμε αυτό το χαρτί, ελπίζοντας να βρούμε κάτι λάθος σε αυτό», λέει ειρωνικά ο Stodolsky. "Αλλά δεν μπορέσαμε να βρούμε τίποτα."

Η νέα παρατήρηση δεν θα ξαναγράψει τα εγχειρίδια για την πυρηνική ή τη σωματιδιακή φυσική. Πράγματι, θα ήταν πολύ πιο επαναστατικό εάν οι φυσικοί είχαν αποδείξει με κάποιο τρόπο ότι δεν υπήρχε συνεκτική σκέδαση, λέει ο Freedman, καθώς αυτό θα σήμαινε ότι οι βασικοί κανόνες της κβαντικής μηχανικής ήταν κατά κάποιο τρόπο λανθασμένοι.

Η πραγματική σημασία της συνεκτικής σκέδασης μπορεί να βρίσκεται στις πιθανές εφαρμογές μικρών φορητών ανιχνευτών νετρίνων, λέει ο Stodolsky. Τέτοιοι ανιχνευτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση πυρηνικών αντιδραστήρων για ασφάλεια και ασφάλεια. Για παράδειγμα, από τις λεπτομέρειες της ροής των νετρίνων, οι παρατηρητές μπορεί να είναι σε θέση να πουν εάν ένας αντιδραστήρας χρησιμοποιείται για την παραγωγή πλουτωνίου, λέει.

Ωστόσο, οι αδυνατισμένοι ανιχνευτές δεν θα λειτουργήσουν σε όλα τα μεγάλα πειράματα νετρίνων. Για παράδειγμα, πριν από 2 εβδομάδες, οι φυσικοί ξεκίνησαν την ανασκαφή για το Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), έναν ανιχνευτή 70.000 τόνων στη Νότια Ντακότα που θα μελετήσει τα νετρίνα που πυροβολήθηκαν από έναν επιταχυντή σωματιδίων 1300 χιλιόμετρα μακριά στο Ιλινόις. Το DUNE θα μελετήσει πώς οι τρεις τύποι νετρίνων μεταμορφώνονται ο ένας στον άλλο καθώς τα σωματίδια κουμπώνουν - ένα φαινόμενο που ονομάζεται ανάμειξη νετρίνων που θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει να εξηγήσει πώς το σύμπαν παρήγαγε τόση πολλή ύλη και τόσο λίγη αντιύλη. Δεν υπάρχει καμία ελπίδα αντικατάστασης του DUNE με έναν μικρότερο ανιχνευτή που βασίζεται στη συνεκτική σκέδαση, επειδή η αλληλεπίδραση δεν αποκαλύπτει ποιος τύπος νετρίνου αναπήδησε από έναν πυρήνα—απαραίτητες πληροφορίες για τη μελέτη της ανάμειξης νετρίνων.