Neutrino är en av de grundläggande partiklarna som utgör universum. Jämfört med andra typer av partiklar har de mycket liten massa, utan laddning och interagerar endast med andra via den svaga kärnkraften och tyngdkraften. Som sådan är det mycket svårt att hitta bevis på arvsamhandlingar, vilket kräver massiva instrument som ligger djupt under jord för att skydda dem från störningar.
Men med hjälp av Spallation Neutron Source (SNS), en forskningsanläggning som ligger vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - gjorde ett internationellt forskargrupp nyligen en historisk upptäckt om neutrino med en helt annan metod. Som en del av COHERENT-experimentet bekräftar dessa resultat en förutsägelse gjord för 43 år sedan och erbjuder nya möjligheter för neutrino-forskning.
Studien som beskriver deras resultat, med titeln "Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering", publicerades nyligen i tidskriften Vetenskap. Forskningen genomfördes som en del av COHERENT-experimentet, ett samarbete med 80 forskare från 19 institutioner från mer än 4 länder som har letat efter det som kallas Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) i över ett år.
När COHERENT har hittat bevis på detta beteende har i huvudsak gjort historia. Som Jason Newby, en ORNL-fysiker och den tekniska samordnaren för COHERENT, sa i ett ORNL-pressmeddelande:
"Det enstaka partikelfysiksexperimentet vid Oak Ridge National Laboratory var det första som mätte sammanhängande spridning av neutriner med låg energi från kärnor."
För att bryta ner allt indikerar standardmodellen för partikelfysik att neutrinoer är leptoner, en partikel som interagerar med andra ämnen mycket svagt. De skapas genom radioaktivt förfall, kärnreaktionerna som driver stjärnor och från supernovaer. Big Bang-modellen för kosmologi förutspår också att neutrinoer är de mest överflödiga partiklarna som finns, eftersom de är en biprodukt från skapandet av universum.
Som sådan har deras studie varit en viktig samlingspunkt för teoretiska fysiker och kosmologer. I tidigare studier upptäcktes neutrino-interaktioner genom att använda bokstavligen massor av målmaterial och sedan undersöka partikeltransformationerna som resulterade från neutrino som träffade dem.
Exempel inkluderar Super-Kamiokande-observatoriet i Japan, en underjordisk anläggning där målmaterialet är 50 000 ton ultrapure vatten. När det gäller SNOLABs Sudbury Neutrino Observatory - som ligger i ett tidigare gruvkomplex nära Sudbury, Ontario - förlitar sig SNO-neutrinodetektorn på tungt vatten för neutrino-upptäckt medan SNO + -experimentet kommer att använda en flytande scintillator.
Och IceCube Neutrino Observatory - den största neutrino-detektorn i världen, belägen vid Amundsen – Scott South Pole Station i Antarktis - förlitar sig på Antarktisk is för att upptäcka neutrino-interaktioner. I alla fall är anläggningarna extremt isolerade och förlitar sig på en mycket dyr utrustning.
COHERENT-experimentet är emellertid oerhört mindre och mer ekonomiskt i jämförelse, väger bara 14,5 kg (32 pund) och upptar mycket mindre i vägen för rymden. Experimentet skapades för att dra nytta av det befintliga SNS-acceleratorbaserade systemet, som producerar de mest intensiva pulserade neutronstrålarna i världen för att krossa kvicksilveratomer med protonstrålar.
Denna process skapar enorma mängder neutroner som används för olika vetenskapliga experiment. Processen skapar emellertid också en betydande mängd neutrino som biprodukt. För att dra nytta av detta började COHERENT-teamet utveckla ett neutrinoxperiment som kallas ”neutrino-gränden”. De tjocka betongväggarna och grus ligger i en källarkorridor, bara 20 meter (45 fot) från kvicksilverbehållaren.
Korridoren är också utrustad med stora vattentankar för att blockera ytterligare neutrino, kosmiska strålar och andra partiklar. Men till skillnad från andra experiment letar COHERENT-detektorerna efter tecken på neutrinoer som stöter i kärnorna i andra atomer. För att göra detta utrustade teamet korridoren med detektorer som förlitar sig på en cesiumjodidscintillatorkristall, som också använder odium för att öka framträdandet av ljussignaler orsakade av neutrino-interaktioner.
Juan Collar, en fysiker från University of Chicago, ledde designteamet som skapade detektorn som användes vid SNS. Som han förklarade var detta en "back-to-basics" -metod som avskaffade dyrare och massiva detektorer:
”Det är utan tvekan den mest tillgängliga strålningsdetektorn för fotgängare som har funnits i ett sekel. Natriumdopad cesiumjodid sammanfogar alla egenskaper som krävs för att fungera som en liten, 'handhållen' koherent neutrino-detektor. Mycket ofta är mindre mer. ”
Tack vare deras experiment och SNS: s sofistikerade kunde forskarna fastställa att neutrinoer kan kopplas till kvarkar genom utbyte av neutrala Z-bosoner. Denna process, som kallas Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), förutsades först 1973. Men hittills har inget experiment eller forskarlag kunnat bekräfta det.
Som Jason Newby antydde lyckades experimentet till stor del tack vare den befintliga anläggningens sofistikerade. "SNS-neutrinos energi är nästan perfekt inställd för detta experiment - tillräckligt stor för att skapa en detekterbar signal, men liten nog för att dra fördel av koherensvillkoret," sade han. "Den enda rökningspistolen i interaktionen är en liten mängd energi som tillförs en enda kärna."
Uppgifterna som den producerade var också renare än med tidigare experiment, eftersom neutrinoerna (som SNS-neutronstrålen som producerade dem) också pulsades. Detta möjliggjorde enkel avskiljning av signalen från bakgrundsignaler, vilket gav en fördel jämfört med neutrino-källor med stabil tillstånd - såsom de som produceras av kärnreaktorer.
Teamet upptäckte också tre "smaker" av neutrino, som inkluderade muonneutrino, muon antineutrino och elektronneutrino. Medan muonneutrinoerna dök upp omedelbart upptäcktes de andra några mikrosekunder senare. Från detta validerade COHERENT-teamet inte bara teorin om CEvNS, utan också standardmodellen för partikelfysik. Deras resultat har också konsekvenser för astrofysik och kosmologi.
Som Kate Scholberg, en fysiker från Duke University och COHERENTs talesman, förklarade:
”När en massiv stjärna kollapsar och sedan exploderar, dumpar neutrinoerna enorm energi i det stellar höljet. Att förstå processen matas till att förstå hur dessa dramatiska händelser inträffar ... COHERENTs data hjälper till med tolkning av mätningar av neutrinoegenskaper genom experiment över hela världen. Vi kanske också kan använda koherent spridning för att bättre förstå strukturen i kärnan. "
Det finns inget behov av ytterligare bekräftelse av deras resultat, men COHERENT-forskarna planerar att göra ytterligare mätningar för att observera koherenta neutrino-interaktioner med olika hastigheter (en annan signatur av processen). Från detta hoppas de kunna utöka sin kunskap om CEvNS-naturen, liksom andra grundläggande neutrinoegenskaper - till exempel deras inre magnetism.
Denna upptäckt var verkligen imponerande i sin egen rätt, med tanke på att den validerar en aspekt av både standardmodellen för partikelfysik och Big Bang-kosmologi. Men det faktum att metoden ger renare resultat och förlitar sig på instrument som är betydligt mindre och billigare än andra experiment - det är väldigt imponerande!
Konsekvenserna av denna forskning kommer säkert att vara långtgående, och det kommer att vara intressant att se vilka andra upptäckter den möjliggör i framtiden!
