Forskere formåede at narre tiden og fange en spøgelsespartikel
Russiske fysikere sammen med deres amerikanske kolleger kunne finde bekræftelse på næsten et halvt århundrede med forudsigelser om, at den såkaldte "spøgelsespartikel" af neutrinoer interagerer med almindeligt stof. Der er foretaget en undersøgelse, der kan hjælpe med at skabe en anordning, der kan se gennem atomreaktorer, samt finde ud af, hvilke processer der forekommer i supernovaer.
I 1974 blev der udtrykt en teori blandt forskere om muligheden for interaktion på en eller anden ukendt måde mellem neutrinoer og stof. Disse elementære partikler, millioner af gange lettere end en elektron, kan frit passere gennem planeterne. Kollisioner med atomkerner forekommer periodisk, og neutrinoer interagerer med nogle neutroner og protoner. Men for fire årtier siden antog forskere antagelsen af, at en interaktion er mulig mellem neutrino og kernen som helhed. Denne mekanisme kaldes sammenhængende neutrino-spredning på kerner. Det blev foreslået som en af komponenterne i standardmodellen for elektro-fælgeinteraktioner, men er først blevet bekræftet eksperimentelt.
Electroweak-interaktion er en generel beskrivelse af flere grundlæggende interaktioner - elektromagnetisk og svag. Det accepteres generelt, at efter at universet nåede en temperatur på ca. 1015 kelvin (og dette skete næsten umiddelbart efter Big Bang), var disse interaktioner en enkelt helhed. I modsætning til elektromagnetisk manifestation udviser svage kræfter sig i meget mindre skala i forhold til størrelsen af atomkernen. De sørger for beta-henfald af kernen, hvor det er muligt at frigive ikke kun neutrinoer, men også antineutrino. Samtidig opstår der ikke kun en neutrino ifølge teorien om elektro-fæl-interaktion, men også dens interaktion med stof, stof.
Teorien siger, at hvis der opstår en interaktionsproces mellem neutrinoen og kernen på grund af sammenhængende spredning, frigives energi, der overføres til kernen gennem Z-boson, som er bærer af svag interaktion. Det er meget vanskeligt at løse denne proces, fordi energiudløsningen er meget ubetydelig. For at øge sandsynligheden for sammenhængende spredning bruges tunge elementer som mål, især cæsium, iod og xenon. På samme tid, jo tungere kernen er, desto vanskeligere er det at opdage denne rekyl, som igen også komplicerer situationen.
Forskere foreslog at bruge kryogene detektorer til at detektere neutrino-spredning, der teoretisk er i stand til at registrere endda samspillet mellem enkel stof og mørk stof. En kryogen detektor er et meget koldt kammer med en temperatur kun en hundrededel af en grad over absolut nul, og som fanger den lille mængde varme, der frigøres under reaktionen af kerner med neutrinoer. Krystaller af calcium- eller germanium-wolframat anvendes som underlag, og superledende anordninger, inerte væsker eller modificerede halvledere kan desuden også spille detektorens rolle.
Efter at have udført de nødvendige beregninger fandt forskerne, at den ideelle kandidat til målet er cæsiumiodid med urenheder af natrium. Det var krystallerne af dette stof, der blev grundlaget for den lille detektor (dens vægt var kun 14 kg, og størrelsen var 10x30 centimeter). Denne detektor blev installeret ved SNS-neutronkilden, der er placeret i den amerikanske delstat Tennessee, på Oak Ridge National Laboratory. Detektoren blev placeret i en tunnel, der er afskærmet med beton og jern, omkring to dusin meter fra kilden, som gengiver neutronstråler, men på samme tid er der en bivirkning - neutrinoer.
En kunstig kilde SNS, i modsætning til naturlige kilder til neutrinoer, især jordens atmosfære eller solen, er i stand til at producere en tilstrækkelig stor neutrino-stråle til at blive fanget af en detektor, men på samme tid lille nok til at forårsage sammenhængende spredning. Som forskerne bemærker, passer detektoren og kilden næsten perfekt sammen. Cesiumiodidmolekyler omdannes, når de interagerer med partikler, til scintillatorer (med andre ord genudsender de energi i form af lys). Og det var dette lys, der blev registreret. I henhold til standardmodellen indgik en muonic neutrino, en elektronneutrino og en muonic antineutrino interaktion med krystallen.
Salgsfremmende video:
Denne opdagelse er vigtig. Og pointen er slet ikke, at forskere endnu en gang har bekræftet det fysiske billede af verden, som standardmodellen beskriver. Gennem sammenhængende spredning håber forskere at udvikle specifikke værktøjer og teknikker til overvågning af atomreaktorer for at hjælpe med at se gennem væggene, hvad der sker inde. Derudover forekommer sammenhængende spredning i neutron- og almindelige stjerner såvel som under supernovaeksplosioner. Således vil det give en mulighed for at lære mere om deres struktur og liv. Forskere ved, at neutrinoerne, der findes i tarmene i supernovaer, ramte den ydre skal under eksplosionen og dannede en chokbølge, der river stjernen i stykker. På grund af sammenhængende spredning kan en lignende interaktion mellem neutrinoer og sagen om den stjerne, der eksploderer, forklares.
Derudover er forskerne i søgningen efter WIMP'er - teoretiske partikler af mørkt stof - afhængige af at opdage stråling, der opstår fra deres kollision og atomkerner. Det skal adskilles fra baggrunden, der skaber sammenhængende neutrino-spredning. Dette kan forbedre de data, der kan fås om mørkt stof ved hjælp af kryogene og andre detektorer.