Forskare lyckades lura tiden och fånga en spökepartikel
Ryska fysiker tillsammans med sina amerikanska kollegor kunde hitta bekräftelse på nästan ett halvt sekel av förutsägelser om att den så kallade "spökepartikeln" av neutrino interagerar med vanligt ämne. En studie har genomförts som kan hjälpa till att skapa en anordning som kan se genom kärnreaktorer, samt ta reda på vilka processer som inträffar i supernovaer.
1974 uttrycktes en teori bland forskare om möjligheten till interaktion på något okänt sätt mellan neutrino och materia. Dessa elementära partiklar, miljoner gånger lättare än en elektron, kan fritt passera genom planeterna. Kollisioner med atomkärnor inträffar med jämna mellanrum och neutrino interagerar med vissa neutroner och protoner. Men för fyra decennier sedan antog forskare att en interaktion är möjlig mellan neutrino och kärnan som helhet. Denna mekanism kallas koherent neutrinospridning på kärnor. Det föreslogs som en av komponenterna i standardmodellen för elektrockinteraktioner, men har inte bekräftats experimentellt förrän nu.
Electroweak-interaktion är en allmän beskrivning av flera grundläggande interaktioner - elektromagnetiska och svaga. Det är allmänt accepterat att efter att universum nådde en temperatur på cirka 1015 kelvin (och detta hände nästan omedelbart efter Big Bang) var dessa interaktioner en enda helhet. Svaga krafter, till skillnad från elektromagnetiska, manifesterar sig i mycket mindre skala relativt storleken på atomkärnan. De tillhandahåller beta-sönderfall av kärnan, i vilken det är möjligt att frisätta inte bara neutrino, utan också antineutrino. Samtidigt uppstår inte bara en neutrino, enligt teorin om electroweak-interaktion, utan också dess interaktion med materie, materia.
Teorin säger att om en interaktionsprocess inträffar mellan neutrino och kärnan på grund av sammanhängande spridning, frigörs energi, som överförs till kärnan genom Z-boson, som är bäraren av svag interaktion. Det är mycket svårt att fixa denna process, eftersom energiförsörjningen är mycket obetydlig. För att öka sannolikheten för koherent spridning används tunga element som mål, i synnerhet cesium, jod och xenon. Samtidigt, ju tyngre kärnan är, desto svårare är det att upptäcka denna rekyl, vilket i sin tur också komplicerar situationen.
Forskare föreslog att använda kryogena detektorer för att upptäcka neutrinospridning, som teoretiskt kan spela in även interaktionen mellan enkel materia och mörk materia. En kryogen detektor är en mycket kall kammare, med en temperatur bara en hundradel av en grad över absolut noll, och som fångar upp den lilla mängden värme som frigörs under reaktionen av kärnor med neutrino. Kristaller av kalcium- eller germaniumwolframat används som underlag, dessutom kan superledande anordningar, inerta vätskor eller modifierade halvledare också spela rollen som detektorer.
Efter att ha gjort de nödvändiga beräkningarna fann forskarna att den ideala kandidaten för målet är cesiumjodid med föroreningar av natrium. Det var kristallerna från detta ämne som blev basen för den lilla detektorn (dess vikt var bara 14 kilogram, och storleken var 10x30 centimeter). Denna detektor installerades vid SNS-neutronkällan, som ligger i den amerikanska delstaten Tennessee, vid Oak Ridge National Laboratory. Detektorn placerades i en tunnel skyddad med betong och järn, cirka två dussin meter från källan, som reproducerar neutronstrålar, men samtidigt finns det en bieffekt - neutrino.
En konstgjord källa SNS, i motsats till naturliga källor till neutrinoer, i synnerhet jordens atmosfär eller solen, kan producera en tillräckligt stor neutrinostråle för att fångas av en detektor, men samtidigt liten nog för att orsaka sammanhängande spridning. Som forskarna konstaterar passar detektorn och källan ihop nästan perfekt. Cesiumjodidmolekyler omvandlas till scintillatorer när de interagerar med partiklar (med andra ord släpper ut energi i form av ljus). Och det var detta ljus som registrerades. Enligt standardmodellen ingick en muonic neutrino, en elektron neutrino och en muonic antineutrino interaktion med kristallen.
Kampanjvideo:
Denna upptäckt är viktig. Och poängen är inte alls att forskare än en gång har bekräftat den fysiska bilden av världen, som standardmodellen beskriver. Genom sammanhängande spridning hoppas forskare att utveckla specifika verktyg och tekniker för att övervaka kärnreaktorer för att se genom murarna vad som händer inne. Dessutom sker koherent spridning i neutron- och vanliga stjärnor, såväl som under supernovaexplosioner. Således kommer det att ge en möjlighet att lära sig mer om deras struktur och liv. Forskare vet att neutrinoerna som finns i tarmarna i supernovorna träffar det yttre skalet under explosionen och bildade en chockvåg som river stjärnan i bitar. På grund av en sammanhängande spridning kan en liknande interaktion mellan neutrino och frågan om stjärnan som exploderar förklaras.
I sökandet efter WIMP: er - teoretiska partiklar av mörkt ämne - förlitar forskare sig på strålning som uppstår genom deras kollision och atomkärnor. Det måste skiljas från bakgrunden som skapar sammanhängande neutrinospridning. Detta kan förbättra de data som kan erhållas om mörkt material med hjälp av kryogena och andra detektorer.
