Τα νετρίνα είναι ένα από τα θεμελιώδη σωματίδια που αποτελούν το Σύμπαν. Σε σύγκριση με άλλους τύπους σωματιδίων, έχουν πολύ μικρή μάζα, χωρίς φορτίο και αλληλεπιδρούν μόνο με άλλους μέσω της αδύναμης πυρηνικής δύναμης και της βαρύτητας. Ως εκ τούτου, η εύρεση στοιχείων για αλληλεπιδράσεις κληρονόμων είναι εξαιρετικά δύσκολη, απαιτώντας τεράστια όργανα που βρίσκονται βαθιά υπόγεια για να τα προστατεύσουν από τυχόν παρεμβολές.
Ωστόσο, χρησιμοποιώντας το Spallation Neutron Source (SNS), μια ερευνητική εγκατάσταση που βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL) - μια διεθνής ομάδα ερευνητών πραγματοποίησε πρόσφατα μια ιστορική ανακάλυψη για τα νετρίνα χρησιμοποιώντας μια εντελώς διαφορετική μέθοδο. Στο πλαίσιο του πειράματος COHERENT, αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν μια πρόβλεψη που έγινε πριν από 43 χρόνια και προσφέρει νέες δυνατότητες για έρευνα νετρίνων.
Η μελέτη που περιγράφει λεπτομερώς τα ευρήματά τους, με τίτλο «Παρατήρηση συνεκτικής ελαστικής σκέδασης νετρίνου-πυρήνα», δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Επιστήμη. Η έρευνα διεξήχθη στο πλαίσιο του πειράματος COHERENT, μια συνεργασία 80 ερευνητών από 19 ιδρύματα από περισσότερα 4 έθνη που έψαχναν για αυτό που είναι γνωστό ως Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) για πάνω από ένα χρόνο.
Βρίσκοντας αποδεικτικά στοιχεία αυτής της συμπεριφοράς, ο COHERENT έχει ουσιαστικά κάνει ιστορία. Όπως είπε ο Jason Newby, ένας φυσικός ORNL και ο τεχνικός συντονιστής του COHERENT, σε μια δήλωση τύπου του ORNL:
"Το μοναδικό πείραμα φυσικής σωματιδίων στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge ήταν το πρώτο που μετρήθηκε συνεκτική σκέδαση νετρίνων χαμηλής ενέργειας από τους πυρήνες."
Για να τα σπάσει όλα, το Πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων δείχνει ότι τα νετρίνα είναι λεπτόνια, ένα σωματίδιο που αλληλεπιδρά με άλλες ύλες πολύ αδύναμα. Δημιουργούνται μέσω ραδιενεργών αποσύνθεσης, των πυρηνικών αντιδράσεων που τροφοδοτούν τα αστέρια και από τις σουπερνόβες. Το μοντέλο της κοσμολογίας Big Bang προβλέπει επίσης ότι τα νετρίνα είναι τα πιο άφθονα σωματίδια που υπάρχουν, καθώς αποτελούν υποπροϊόν της δημιουργίας του Σύμπαντος.
Ως εκ τούτου, η μελέτη τους αποτέλεσε σημαντικό σημείο εστίασης για θεωρητικούς φυσικούς και κοσμολόγους. Σε προηγούμενες μελέτες, οι αλληλεπιδράσεις νετρίνων ανιχνεύθηκαν χρησιμοποιώντας κυριολεκτικά τόνους υλικού-στόχου και έπειτα εξετάζοντας τους μετασχηματισμούς σωματιδίων που προέκυψαν από τα νετρίνα.
Στα παραδείγματα περιλαμβάνεται το Παρατηρητήριο Super-Kamiokande στην Ιαπωνία, μια υπόγεια εγκατάσταση όπου το υλικό-στόχος είναι 50.000 τόνοι υπερβολικού καθαρού νερού. Στην περίπτωση του Παρατηρητηρίου Sudbury Neutrino της SNOLAB - το οποίο βρίσκεται σε ένα πρώην συγκρότημα ορυχείων κοντά στο Sudbury του Οντάριο - ο ανιχνευτής νετρίνου SNO βασίζεται σε βαρύ νερό για ανίχνευση νετρίνων, ενώ το πείραμα SNO + θα χρησιμοποιήσει ένα υγρό σπινθηριστή.
Και το Παρατηρητήριο IceCube Neutrino - ο μεγαλύτερος ανιχνευτής νετρίνων στον κόσμο, που βρίσκεται στο σταθμό Amundsen – Scott South Pole στην Ανταρκτική - βασίζεται στον πάγο της Ανταρκτικής για την ανίχνευση αλληλεπιδράσεων νετρίνων. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι εγκαταστάσεις είναι εξαιρετικά απομονωμένες και βασίζονται σε έναν πολύ ακριβό εξοπλισμό.
Το πείραμα COHERENT, ωστόσο, είναι πολύ μικρότερο και οικονομικότερο συγκριτικά, ζυγίζει μόλις 14,5 κιλά (32 λίβρες) και καταλαμβάνει πολύ λιγότερο στον χώρο. Το πείραμα δημιουργήθηκε για να επωφεληθεί από το υπάρχον σύστημα που βασίζεται σε επιταχυντές SNS, το οποίο παράγει τις πιο έντονες παλμικές δέσμες νετρονίων στον κόσμο, προκειμένου να σπάσει τα άτομα υδραργύρου με δέσμες πρωτονίων.
Αυτή η διαδικασία δημιουργεί τεράστιες ποσότητες νετρονίων που χρησιμοποιούνται για διάφορα επιστημονικά πειράματα. Ωστόσο, η διαδικασία δημιουργεί επίσης σημαντική ποσότητα νετρίνων ως υποπροϊόν. Για να επωφεληθεί από αυτό, η ομάδα COHERENT άρχισε να αναπτύσσει ένα πείραμα νετρίνο γνωστό ως «νετρίνο σοκάκι». Βρίσκεται σε υπόγειο διάδρομο μόλις 20 μέτρα (45 πόδια) από τη δεξαμενή υδραργύρου, οι παχιά τσιμεντένια τοιχώματα και το χαλίκι παρέχουν φυσική θωράκιση.
Ο διάδρομος είναι επίσης εφοδιασμένος με μεγάλες δεξαμενές νερού για να αποκλείει επιπλέον νετρίνα, κοσμικές ακτίνες και άλλα σωματίδια. Αλλά σε αντίθεση με άλλα πειράματα, οι ανιχνευτές ΣΥΝΕΧΟΥΣ αναζητούν σημάδια νετρίνων που χτυπούν τους πυρήνες άλλων ατόμων. Για να γίνει αυτό, η ομάδα εξοπλίζει τον διάδρομο με ανιχνευτές που βασίζονται σε κρύσταλλο σπινθηριστή ιωδιούχου καισίου, ο οποίος χρησιμοποιεί επίσης odium για να αυξήσει την προβολή των φωτεινών σημάτων που προκαλούνται από αλληλεπιδράσεις νετρίνων.
Ο Juan Collar, φυσικός από το Πανεπιστήμιο του Σικάγου, ηγήθηκε της ομάδας σχεδιασμού που δημιούργησε τον ανιχνευτή που χρησιμοποιείται στο SNS. Όπως εξήγησε, αυτή ήταν μια προσέγγιση «back-to-basics» που απέσυρε τους πιο ακριβούς και μαζικούς ανιχνευτές:
«Είναι αναμφισβήτητα το πιο πεζικό είδος ανιχνευτή ακτινοβολίας που υπάρχει, εδώ και έναν αιώνα. Το ιωδιούχο καίσιο με νάτριο συγχωνεύει όλες τις ιδιότητες που απαιτούνται για να λειτουργήσει ως ένας μικρός, «φορητός» συνεκτικός ανιχνευτής νετρίνων. Πολύ συχνά, το λιγότερο είναι περισσότερο. "
Χάρη στο πείραμά τους και την πολυπλοκότητα του SNS, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν ότι τα νετρίνα είναι ικανά να συζευχθούν με τα κουάρκ μέσω της ανταλλαγής ουδέτερων ζοζονίων Ζ. Αυτή η διαδικασία, η οποία είναι γνωστή ως Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), προβλεπόταν για πρώτη φορά το 1973. Αλλά μέχρι τώρα, κανένα πείραμα ή ερευνητική ομάδα δεν μπόρεσε να το επιβεβαιώσει.
Όπως ανέφερε ο Jason Newby, το πείραμα πέτυχε σε μεγάλο βαθμό χάρη στην πολυπλοκότητα της υπάρχουσας εγκατάστασης. «Η ενέργεια των νετρίνων SNS είναι σχεδόν τέλεια συντονισμένη για αυτό το πείραμα - αρκετά μεγάλο για να δημιουργήσει ένα ανιχνεύσιμο σήμα, αλλά αρκετά μικρό για να επωφεληθεί από την κατάσταση συνοχής», είπε. «Το μόνο πιστόλι καπνίσματος της αλληλεπίδρασης είναι μια μικρή ποσότητα ενέργειας που μεταδίδεται σε έναν μόνο πυρήνα.»
Τα δεδομένα που παρήγαγε ήταν επίσης καθαρότερα από ό, τι με τα προηγούμενα πειράματα, καθώς τα νετρίνα (όπως η δέσμη νετρονίων SNS που τα παρήγαγε) ήταν επίσης παλμικά. Αυτό επέτρεψε τον εύκολο διαχωρισμό του σήματος από σήματα υποβάθρου, το οποίο προσέφερε ένα πλεονέκτημα έναντι των πηγών νετρίνων σε σταθερή κατάσταση - όπως αυτές που παράγονται από πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Η ομάδα εντόπισε επίσης τρεις «γεύσεις» νετρίνων, οι οποίες περιελάμβαναν νετρονικά μιόνια, αντινετρίνα μιόνια και νετρίνα ηλεκτρονίων. Ενώ τα νετρίνα μιόνων εμφανίστηκαν στιγμιαία, τα άλλα εντοπίστηκαν μερικά μικροδευτερόλεπτα αργότερα. Από αυτό, η ομάδα COHERENT όχι μόνο επικύρωσε τη θεωρία του CEvNS, αλλά και το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Τα ευρήματά τους έχουν επίσης επιπτώσεις στην αστροφυσική και την κοσμολογία.
Όπως εξήγησε η Kate Scholberg, φυσικός από το Πανεπιστήμιο Duke και εκπρόσωπος της COHERENT:
«Όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει και μετά εκραγεί, τα νετρίνα ρίχνουν τεράστια ενέργεια στον αστρικό φάκελο. Η κατανόηση της διαδικασίας τροφοδοτεί την κατανόηση του πώς συμβαίνουν αυτά τα δραματικά γεγονότα… Τα δεδομένα του COHERENT θα βοηθήσουν στην ερμηνεία των μετρήσεων των ιδιοτήτων των νετρίνων από πειράματα παγκοσμίως. Μπορεί επίσης να είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε συνεκτική σκέδαση για να κατανοήσουμε καλύτερα τη δομή του πυρήνα. "
Αν και δεν υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων τους, οι ερευνητές του COHERENT σκοπεύουν να πραγματοποιήσουν πρόσθετες μετρήσεις προκειμένου να παρατηρήσουν συνεκτικές αλληλεπιδράσεις νετρίνων με διαφορετικούς ρυθμούς (άλλη υπογραφή της διαδικασίας). Από αυτό, ελπίζουν να επεκτείνουν τις γνώσεις τους για τη φύση του CEvNS, καθώς και άλλες βασικές ιδιότητες νετρίνων - όπως ο εγγενής μαγνητισμός τους.
Αυτή η ανακάλυψη ήταν σίγουρα εντυπωσιακή από μόνη της, δεδομένου ότι επικυρώνει μια πτυχή τόσο του Standard Model της σωματιδιακής φυσικής όσο και της κοσμολογίας του Big Bang. Αλλά το γεγονός ότι η μέθοδος προσφέρει καθαρότερα αποτελέσματα και βασίζεται σε όργανα που είναι σημαντικά μικρότερα και λιγότερο ακριβά από άλλα πειράματα - αυτό είναι πολύ εντυπωσιακό!
Οι επιπτώσεις αυτής της έρευνας είναι βέβαιο ότι θα είναι εκτεταμένες και θα είναι ενδιαφέρον να δούμε ποιες άλλες ανακαλύψεις επιτρέπει στο μέλλον!
