Wetenschappers slaagden erin de tijd te misleiden en een spookdeeltje te vangen
Russische natuurkundigen konden samen met hun Amerikaanse collega's de bevestiging vinden van bijna een halve eeuw aan voorspellingen dat het zogenaamde "spookdeeltje" van neutrino's in wisselwerking staat met gewone materie. Er is een studie uitgevoerd die kan helpen bij het maken van een apparaat dat door kernreactoren heen kan kijken en om te achterhalen welke processen plaatsvinden in supernovae.
In 1974 werd onder wetenschappers een theorie geuit over de mogelijkheid van interactie op een onbekende manier tussen neutrino's en materie. Deze elementaire deeltjes, miljoenen keren lichter dan een elektron, kunnen vrij door de planeten gaan. Botsingen met atoomkernen komen periodiek voor, en neutrino's hebben interactie met sommige neutronen en protonen. Maar veertig jaar geleden gingen wetenschappers ervan uit dat een interactie mogelijk is tussen het neutrino en de kern als geheel. Dit mechanisme wordt coherente neutrino-verstrooiing op kernen genoemd. Het werd voorgesteld als een van de componenten van het standaardmodel van elektrozwakke interacties, maar is tot nu toe niet experimenteel bevestigd.
Elektromagnetische interactie is een algemene beschrijving van verschillende fundamentele interacties - elektromagnetisch en zwak. Het is algemeen aanvaard dat nadat het heelal een temperatuur van ongeveer 1015 kelvin had bereikt (en dit gebeurde vrijwel onmiddellijk na de oerknal), deze interacties één geheel waren. Zwakke krachten, in tegenstelling tot elektromagnetische, manifesteren zich op een veel kleinere schaal in verhouding tot de grootte van de atoomkern. Ze zorgen voor bèta-verval van de kern, waarin het mogelijk is om niet alleen neutrino's, maar ook antineutrino's vrij te geven. Tegelijkertijd ontstaat volgens de theorie van de elektrozwakke interactie niet alleen een neutrino, maar ook de interactie met materie, materie.
De theorie zegt dat als er een interactieproces plaatsvindt tussen het neutrino en de kern als gevolg van coherente verstrooiing, er energie vrijkomt die wordt overgedragen naar de kern via het Z-boson, dat de drager is van zwakke interactie. Het is erg moeilijk om dit proces op te lossen, omdat het vrijkomen van energie erg onbeduidend is. Om de kans op coherente verstrooiing te vergroten, worden zware elementen als doelwitten gebruikt, met name cesium, jodium en xenon. Tegelijkertijd, hoe zwaarder de kern, hoe moeilijker het is om deze terugslag te detecteren, wat op zijn beurt ook de situatie compliceert.
Wetenschappers stelden voor om cryogene detectoren te gebruiken om neutrino-verstrooiing te detecteren, die in theorie zelfs de interactie van eenvoudige materie en donkere materie kunnen registreren. Een cryogene detector is een zeer koude kamer, met een temperatuur net een honderdste graad boven het absolute nulpunt, en die de kleine hoeveelheid warmte opvangt die vrijkomt bij de reactie van kernen met neutrino's. Kristallen van calcium- of germaniumwolframaat worden als substraat gebruikt; bovendien kunnen supergeleidende apparaten, inerte vloeistoffen of gemodificeerde halfgeleiders de rol van detectoren spelen.
Na het uitvoeren van de nodige berekeningen, ontdekten de onderzoekers dat de ideale kandidaat voor het doelwit cesiumjodide met onzuiverheden van natrium is. Het waren de kristallen van deze stof die de basis werden voor de kleine detector (het gewicht was slechts 14 kilogram en de afmeting was 10x30 centimeter). Deze detector is geïnstalleerd bij de SNS-neutronenbron, die zich in de Amerikaanse staat Tennessee bevindt, bij het Oak Ridge National Laboratory. De detector werd in een tunnel geplaatst die is afgeschermd met beton en ijzer, ongeveer twee dozijn meter van de bron, die neutronenbundels reproduceert, maar tegelijkertijd is er een bijwerking: neutrino's.
Een kunstmatige bron SNS, in tegenstelling tot natuurlijke bronnen van neutrino's, in het bijzonder de atmosfeer van de aarde of de zon, is in staat om een voldoende grote neutrinobundel te produceren om door een detector te worden opgevangen, maar tegelijkertijd klein genoeg om coherente verstrooiing te veroorzaken. Zoals de onderzoekers opmerken, passen de detector en de bron bijna perfect in elkaar. Cesiumjodidemoleculen worden bij interactie met deeltjes omgezet in scintillatoren (met andere woorden, ze zenden energie opnieuw uit in de vorm van licht). En het was dit licht dat werd geregistreerd. Volgens het standaardmodel gingen een muonische neutrino, een elektronenneutrino en een muonische antineutrino in interactie met het kristal.
Promotie video:
Deze ontdekking is belangrijk. En het punt is helemaal niet dat wetenschappers het fysieke beeld van de wereld, dat het standaardmodel beschrijft, opnieuw hebben bevestigd. Door coherente verstrooiing hopen wetenschappers specifieke instrumenten en technieken te ontwikkelen voor het monitoren van kernreactoren om door muren heen te kijken wat er binnen gebeurt. Bovendien vindt coherente verstrooiing plaats binnen neutronensterren en gewone sterren, evenals tijdens supernova-explosies. Het biedt dus de mogelijkheid om meer te weten te komen over hun structuur en leven. Wetenschappers weten dat de neutrino's in de ingewanden van supernovae tijdens de explosie de buitenste schil raken en een schokgolf vormen die de ster in stukken scheurt. Door coherente verstrooiing kan een vergelijkbare interactie tussen neutrino's en de materie van de ster die explodeert worden verklaard.
Bovendien vertrouwen onderzoekers bij de zoektocht naar WIMP's - theoretische deeltjes van donkere materie - op het detecteren van straling die voortkomt uit hun botsing en atoomkernen. Het moet worden onderscheiden van de achtergrond die coherente neutrino-verstrooiing creëert. Dit kan de gegevens verbeteren die met cryogene en andere detectoren kunnen worden verkregen over donkere materie.
