Neutrina to niewielkie cząstki, które prawdopodobnie odegrały istotną rolę w ewolucji naszego Wszechświata. Posiadają one bardzo małą masę, nie mają ładunku i oddziałują z innymi cząstkami tylko poprzez słabe siły jądrowe i grawitację. W związku z tym znalezienie dowodów ich oddziaływań jest niezwykle trudne i wymaga zaawansowanych urządzeń, które są odpowiednio zabezpieczone przed zakłóceniami.
Jednym z takich ośrodków jest Oak Ridge National Laboratory (ORNL), gdzie międzynarodowy zespół badaczy prowadzi eksperyment fizyki cząstek COHERENT. Niedawno naukowcy prowadzący eksperyment COHERENT dokonali wielkiego przełomu, znajdując pierwsze dowody na istnienie nowego rodzaju oddziaływania neutrin, które skutecznie demonstruje proces znany jako koherentne elastyczne rozpraszanie neutrino-jądrowe (CEvNS). Badania zostały przeprowadzone przez zespół COHERENT – w skład którego wchodzi 80 naukowców z 19 instytucji z 4 krajów – przy użyciu Spallation Neutron Source (SNS) w ORNL. Jak informują w pracy (która ukazała się niedawno w Physical Review Letters), ich badania polegają na obserwacji procesu znanego jako Coherent Elastic Neutrino-nucleus Scattering (CEvNS).
Spallation Neutron Source również produkuje neutrina w dużych ilościach. Jason Richards/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Zgodnie z Modelem Standardowym fizyki cząstek elementarnych, neutrina są leptonami, cząstkami elementarnymi podobnymi do elektronu, ale nie posiadają ładunku elektrycznego i mają bardzo małą masę (jeśli w ogóle). Powstają w wyniku rozpadu radioaktywnego, syntezy jądrowej w gwiazdach, supernowych oraz jako produkt uboczny Wielkiego Wybuchu. Z tego powodu uważa się, że są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie.
Proces CEvNS sprowadza się do zderzenia neutrin z dużo większym jądrem pierwiastka, co powoduje niewielki transfer energii i niemal niezauważalny odrzut jądra. Proces ten został po raz pierwszy przewidziany w 1973 roku, ale nie został wykryty z powodu niewielkiej ilości energii i ruchu. Zmieniło się to w 2017 roku, kiedy członkowie zespołu COHERENT użyli SNS do zmierzenia procesu CEvNS po raz pierwszy. W tym przypadku obserwowali neutrina generowane przez SNS podczas ich oddziaływania z cięższymi jądrami cezu i jodu. Tym razem zespół zaobserwował neutrina zderzające się z jeszcze mniejszymi jądrami argonu, co spowodowało jeszcze mniejszy poziom odrzutu. Jak wyjaśniła w komunikacie prasowym ORNL fizyk z Duke University Kate Scholberg, rzeczniczka i organizatorka celów naukowych i technologicznych dla COHERENT:
System oparty na akceleratorze SNS jest nie tylko najmniejszym na świecie detektorem neutrin, ale również najjaśniejszym na świecie źródłem impulsowych wiązek neutronów. Wiązka ta składa się z protonów wystrzeliwanych w kierunku atomów rtęci, co powoduje ich rozbicie i wytworzenie ogromnych ilości neutronów i neutrin jako produktu ubocznego. Neutrina są wykorzystywane w specjalnym laboratorium neutrin znajdującym się pod SNS, w eksperymencie znanym jako „Aleja Neutrinowa„, opracowanym przez zespół COHERENT. Aleja ta jest wyposażona w bardzo czułe detektory CENNS-10, które wykorzystują kryształy scyntylatorów jodku cezu do wykrywania maleńkich sygnałów świetlnych wytwarzanych przez oddziaływania subatomowe. W 2017 roku SNS został dodatkowo rozbudowany o detektory jodku sodu.
Yuri Efremenko, fizyk z University of Tennessee, nadzorował najnowszy dodatek do eksperymentu, który składał się z detektorów ciekłego argonu. Jak wyjaśnił Efremenko, dzięki temu eksperyment stał się jeszcze bardziej czuły, do tego stopnia, że mógł dostarczać danych o jeszcze drobniejszych zderzeniach:
Studentka fizyki z Indiana University, Maria del Valle Coello, obserwuje detektor CENNS-10 zainstalowany w Alei Neutrin SNS. Rex Tayloe/Uniwersytet Indiana
Zespół COHERENT zebrał 18-miesięczne dane z SNS, których analiza ujawniła 159 zdarzeń CEvNS – co jest zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego. W przyszłości zespół ma nadzieję zwiększyć skalę eksperymentu tak, by móc obserwować 25 razy więcej zdarzeń CEvNS rocznie. W tym procesie mają nadzieję uzyskać szczegółowe widma, które mogą ujawnić sygnatury nowej fizyki. Aby osiągnąć cel, jakim jest obserwowanie CEvNS na różnych jądrach, zespół planuje zainstalować jeszcze większy, 10-tonowy (9 ton metrycznych) detektor ciekłego argonu w Drugiej Stacji Docelowej SNS. Planowane jest także dodanie w przyszłym roku do Neutrino Alley 16-kg (~35 funtów) detektora opartego na jądrach germanu (większych od argonu, ale mniejszych od cezu i jodu).
W międzyczasie, dane z tej najnowszej analizy pomogą naukowcom na całym świecie zinterpretować ich pomiary neutrin i zbadać możliwość istnienia nowej fizyki. Wyniki te mają również praktyczne zastosowanie w laboratorium i w terenie. Na przykład, metoda zastosowana przez zespół COHERENT może być wykorzystana przez fizyków cząstek elementarnych do pomiaru rozkładu neutronów w jądrach. Z kolei astrofizycy mogliby ją wykorzystać do wyznaczania gęstości gwiazd neutronowych, co dałoby kolejne „drzwi” do badania fizyki w najbardziej ekstremalnych i egzotycznych dziedzinach. Jak powiedział fizyk Jason Newby, kierujący eksperymentem COHERENT w ORNL:
Szukamy sposobów na złamanie Modelu Standardowego. Uwielbiamy Model Standardowy, odniósł on wielki sukces. Ale są rzeczy, których on po prostu nie wyjaśnia. Podejrzewamy, że w tych małych miejscach, gdzie model może się załamać, mogą czekać odpowiedzi na wielkie pytania dotyczące natury wszechświata, antymaterii i ciemnej materii, na przykład.
