Naukowcom udało się oszukać czas i złapać cząstkę ducha
Rosyjskim fizykom wraz z ich amerykańskimi kolegami udało się znaleźć potwierdzenie prawie półwiecza przepowiedni, że tak zwana „cząstka-widmo” neutrin oddziałuje ze zwykłą materią. Przeprowadzono badanie, które może pomóc w stworzeniu urządzenia, które może widzieć przez reaktory jądrowe, a także dowiedzieć się, jakie procesy zachodzą w supernowych.
W 1974 r. Naukowcy sformułowali teorię dotyczącą możliwości interakcji w nieznany sposób między neutrinami a materią. Te cząstki elementarne, miliony razy lżejsze od elektronu, mogą swobodnie przechodzić przez planety. Zderzenia z jądrami atomowymi występują okresowo, a neutrina oddziałują z niektórymi neutronami i protonami. Ale czterdzieści lat temu naukowcy założyli, że możliwa jest interakcja między neutrinem a jądrem jako całością. Ten mechanizm nazywa się spójnym rozpraszaniem neutrin na jądrach. Został on zaproponowany jako jeden ze składników Modelu Standardowego oddziaływań elektrosłabych, ale do tej pory nie został potwierdzony eksperymentalnie.
Oddziaływanie elektrosłabe to ogólny opis kilku podstawowych interakcji - elektromagnetycznych i słabych. Powszechnie przyjmuje się, że po osiągnięciu przez Wszechświat temperatury około 1015 kelwinów (a stało się to niemal natychmiast po Wielkim Wybuchu), te interakcje stanowiły jedną całość. Słabe siły, w przeciwieństwie do elektromagnetycznych, przejawiają się w znacznie mniejszej skali w stosunku do rozmiaru jądra atomowego. Zapewniają rozpad beta jądra, w którym można uwolnić nie tylko neutrina, ale także antyneutrina. Jednocześnie, zgodnie z teorią oddziaływań elektrosłabych, powstaje nie tylko neutrino, ale także jego oddziaływanie z materią, materią.
Teoria mówi, że jeśli zachodzi proces interakcji między neutrinem a jądrem w wyniku spójnego rozpraszania, uwalniana jest energia, która jest przenoszona do jądra przez bozon Z, który jest nośnikiem słabych oddziaływań. Naprawienie tego procesu jest bardzo trudne, ponieważ uwalnianie energii jest bardzo nieznaczne. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo spójnego rozpraszania, jako cele stosuje się ciężkie pierwiastki, w szczególności cez, jod i ksenon. Jednocześnie im cięższy rdzeń, tym trudniej jest wykryć ten odrzut, co z kolei również komplikuje sytuację.
Naukowcy zaproponowali użycie detektorów kriogenicznych do wykrywania rozpraszania neutrin, teoretycznie zdolnych do rejestrowania nawet interakcji prostej materii i ciemnej materii. Detektor kriogeniczny to bardzo zimna komora, w której temperatura wynosi zaledwie jedną setną stopnia powyżej zera absolutnego i która wychwytuje niewielką ilość ciepła uwalnianego podczas reakcji jąder z neutrinami. Jako substrat stosowane są kryształy wolframianu wapnia lub germanu; dodatkowo rolę detektorów mogą pełnić również urządzenia nadprzewodzące, ciecze obojętne lub zmodyfikowane półprzewodniki.
Po wykonaniu niezbędnych obliczeń naukowcy odkryli, że idealnym kandydatem na cel jest jodek cezu z zanieczyszczeniami sodu. To właśnie kryształy tej substancji stały się podstawą małego detektora (jego waga wynosiła zaledwie 14 kilogramów, a rozmiar 10x30 centymetrów). Ten detektor został zainstalowany w źródle neutronów SNS, które znajduje się w amerykańskim stanie Tennessee, w Oak Ridge National Laboratory. Detektor umieszczono w tunelu osłoniętym betonem i żelazem, około dwudziestu metrów od źródła, które odtwarza wiązki neutronów, ale jednocześnie występuje efekt uboczny - neutrina.
Sztuczne źródło SNS, w przeciwieństwie do naturalnych źródeł neutrin, w szczególności atmosfery ziemskiej lub Słońca, jest w stanie wytworzyć wystarczająco dużą wiązkę neutrin, aby mogła zostać przechwycona przez detektor, ale jednocześnie wystarczająco małą, aby spowodować spójne rozpraszanie. Jak zauważają naukowcy, detektor i źródło pasują do siebie prawie idealnie. Cząsteczki jodku cezu podczas interakcji z cząsteczkami przekształcają się w scyntylatory (innymi słowy, ponownie emitują energię w postaci światła). I to właśnie to światło zostało zarejestrowane. Zgodnie z modelem standardowym neutrino mionowe, neutrino elektronowe i antyneutrino mionowe weszły w interakcję z kryształem.
Film promocyjny:
To odkrycie jest ważne. I wcale nie chodzi o to, że naukowcy po raz kolejny potwierdzili fizyczny obraz świata, który opisuje Model Standardowy. Naukowcy mają nadzieję, że poprzez spójne rozpraszanie uda się opracować konkretne narzędzia i techniki monitorowania reaktorów jądrowych, które pomogłyby zobaczyć przez ściany, co dzieje się wewnątrz. Ponadto spójne rozpraszanie zachodzi wewnątrz neutronów i zwykłych gwiazd, a także podczas wybuchów supernowych. Dzięki temu będzie można dowiedzieć się więcej o ich budowie i życiu. Naukowcy wiedzą, że neutrina obecne w trzewiach supernowych uderzyły w zewnętrzną powłokę podczas eksplozji, tworząc falę uderzeniową, która rozrywa gwiazdę na kawałki. Dzięki spójnemu rozpraszaniu można wyjaśnić podobne oddziaływanie między neutrinami a materią gwiazdy, która eksploduje.
Ponadto w poszukiwaniu WIMP - teoretycznych cząstek ciemnej materii - naukowcy polegają na wykrywaniu promieniowania powstającego w wyniku ich zderzenia i jąder atomowych. Należy go odróżnić od tła, które tworzy spójne rozpraszanie neutrin. Może to poprawić dane, które można uzyskać na temat ciemnej materii za pomocą detektorów kriogenicznych i innych.