Glavni FizikaPreizkus prvič odkrije skrivnostno nevtrino-nukleusno raztresenje

Preizkus prvič odkrije skrivnostno nevtrino-nukleusno raztresenje

Fizika : Preizkus prvič odkrije skrivnostno nevtrino-nukleusno raztresenje

Nevtrini so eden temeljnih delcev, ki sestavljajo vesolje. V primerjavi z drugimi vrstami delcev imajo zelo malo mase, brez naboja in z drugimi delujejo le preko šibke jedrske sile in gravitacije. Tako je iskanje dokazov o dedničinskih interakcijah zelo težko, zato so potrebni ogromni instrumenti, nameščeni globoko pod zemljo, da jih zaščitijo pred kakršnimi koli posegi.

Vendar pa je s pomočjo Spallation Neutron Source (SNS), raziskovalne ustanove, ki se nahaja v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge (ORNL) - mednarodna skupina raziskovalcev, nedavno podala zgodovinsko odkritje o nevtrinih s povsem drugo metodo. V okviru eksperimenta COHERENT ti rezultati potrjujejo napoved pred 43 leti in ponujajo nove možnosti za raziskave nevtrinov.

Študija, ki podrobno opisuje njihove ugotovitve, z naslovom "Opazovanje koherentnega elastičnega razkroja nevtrino-jeder", je bila nedavno objavljena v reviji Science . Raziskava je bila izvedena v okviru eksperimenta COHERENT, sodelovanja 80 raziskovalcev iz 19 institucij iz več 4 držav, ki že več kot leto išče tisto, kar je znano kot koherentno elastično nevtralno-nukleusno razprševanje (CEvNS).

Sodelovanje COHERENT je prvi poskus, s katerim smo opazili koherentno raztezanje elastičnih nevtrino-jeder. Njihovi rezultati potrjujejo napoved standardnega modela in postavljajo omejitve pri alternativnih teoretičnih modelih. Zasluge: COHERENT Sodelovanje

Pri iskanju dokazov o tem vedenju je COHERENT v bistvu izhajal iz zgodovine. Kot je v izjavi za javnost ORNL dejal Jason Newby, fizik ORNL in tehnični koordinator COHERENT:

"Edinstveni eksperiment fizike delcev v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge je bil prvi, ki je izmeril skladno razprševanje nizkoenergijskih nevtrinov iz jeder."

Standardni model fizike delcev razčlenjuje, da so nevtrini leptoni, delci, ki zelo slabo komunicirajo z drugimi snovmi. Ustvarijo jih z radioaktivnim razpadom, jedrskimi reakcijami, ki napajajo zvezde, in iz supernov. Kozmološki model Big Bang prav tako napoveduje, da so nevtrini najpogostejši delci v obstoju, saj so stranski produkt ustvarjanja Vesolja.

Kot taka je bila njihova študija glavno žarišče teoretičnih fizikov in kozmologov. V prejšnjih študijah so nevtrinske interakcije zaznali z uporabo dobesedno na tone ciljnega materiala in nato preučevali transformacije delcev, ki so posledica udarcev nevtrinov.

Primeri vključujejo observatorij Super-Kamiokande na Japonskem, podzemni objekt, kjer je ciljni material 50.000 ton ultračiste vode. V primeru SNOLAB s Nevtrinskega observatorija Sudbury, ki se nahaja v nekdanjem rudarskem kompleksu v bližini Sudburyja, Ontario nevtrinski detektor SNO za odkrivanje nevtrinov zanaša na težko vodo, medtem ko bo poskus SNO + uporabil tekoči scintilator .

Super-Kamiokande, neutrinski detektor na Japonskem, hrani 50.000 ton ultračiste vode, obkrožene s svetlobnimi cevmi. Zasluge: Observatorij Super Kamiokande

In IceCube Neutrino Observatory največji detektor nevtrinov na svetu, ki se nahaja na postaji Amundsen Skottt Južni pol na Antarktiki se zanaša na antarktični led za odkrivanje nevtrinskih interakcij. V vseh primerih so objekti izjemno izolirani in se zanašajo na zelo drago opremo.

Eksperiment COHERENT pa je v primerjavi s tobom neizmerno manjši in bolj ekonomičen, saj tehta le 14, 5 kg (32 funtov) in zaseda veliko manj na poti. Eksperiment je bil ustvarjen, da bi izkoristil obstoječi sistem, ki temelji na pospeševalcih SNS, ki proizvaja najintenzivnejše impulzne žarke nevtronov na svetu, da bi razbijal atome živega srebra s snopi protonov.

Ta postopek ustvarja ogromne količine nevtronov, ki se uporabljajo za različne znanstvene poskuse. Vendar postopek ustvarja tudi precejšnjo količino nevtrinov kot stranskih produktov. Da bi to izkoristili, je ekipa COHERENT začela razvijati nevtrinski eksperiment, znan kot neutrino alley . Nahaja se na kletnem hodniku le 20 metrov (45 čevljev) od rezervoarja živega srebra, debele betonske stene in gramoz zagotavljajo naravno zaščito.

Hodnik je opremljen tudi z velikimi rezervoarji za vodo, ki preprečujejo dodatne nevtrine, kozmične žarke in druge delce. Toda za razliko od drugih eksperimentov, detektorji COHERENT iščejo znake nevtrinov, ki naletijo v jedra drugih atomov. Da bi to naredili, je ekipa hodnik opremila z detektorji, ki se zanašajo na kristali scintillatorja cezijevega jodida, ki tudi odij uporablja za povečanje vidnosti svetlobnih signalov, ki jih povzročajo nevtrino interakcije.

SNS Beamline 13, kjer se protoni zataknejo v atome živega srebra, da sprostijo niz energijskih delcev. Zasluge: ORNL / ameriški oddelek za energijo / Genevieve Martin

Juan Collar, fizik z univerze v Chicagu, je vodil oblikovalsko skupino, ki je ustvarila detektor, ki se uporablja v SNS. Kot je pojasnil, je bil to pristop "nazaj k osnovam", ki je odnesel dražje in masivnejše detektorje:

"So verjetno najbolj vrste pešcev detektor sevanja, ki so na voljo že približno stoletje. Natrijev cezijev jodid združuje vse lastnosti, ki so potrebne za delovanje kot majhen, "ročni" koherentni detektor nevtrinov. Zelo pogosto je manj več. "

Zahvaljujoč njihovemu eksperimentu in prefinjenosti SNS so raziskovalci lahko ugotovili, da so nevtrini sposobni povezati kvarke z izmenjavo nevtralnih Z-bozonov. Ta postopek, ki je znan kot koherentno elastično nevtralno-nukleusno razprševanje (CEvNS), je bil prvič napovedan leta 1973. Toda do zdaj ga noben poskus ali raziskovalna skupina ni uspela potrditi.

Kot je nakazal Jason Newby, je eksperiment v veliki meri uspel zaradi prefinjenosti obstoječega objekta. "Energija nevtrinov SNS je skoraj popolnoma nastavljena za ta eksperiment - dovolj velika, da ustvari zaznaven signal, vendar dovolj majhna, da izkoristi koherenten pogoj, " je dejal. "Edina pištola za kajenje interakcije je majhna količina energije, ki je dodeljena enemu jedru."

Podatki, ki jih je ustvaril, so bili tudi čistejši kot pri prejšnjih poskusih, saj so nevtrini (podobno kot nevtronski snop SNS, ki so jih proizvajali) tudi pulzirali. To je omogočilo enostavno ločitev signala od signalov v ozadju, kar je nudilo prednost pred viri nevtrino v stanju dinamičnega ravnovesja - kot so tisti, ki jih proizvajajo jedrski reaktorji.

Profesor Jurij Efremenko z Univerze v Tennesseeju - Knoxville in Jason Newby iz ORNL - dva člana COHERENT-a. Zasluge: ORNL / ameriški oddelek za energijo / Genevieve Martin

Skupina je odkrila tudi tri "okuse" nevtrinov, med katerimi so bili muonski nevtrini, muonski antinevtrini in elektronski nevtrini. Medtem ko so se muonski nevtrini pojavili takoj, so druge odkrili nekaj mikrosekund kasneje. Iz tega je ekipa COHERENT potrdila ne le teorijo CEvNS, ampak tudi standardni model fizike delcev. Njihove ugotovitve vplivajo tudi na astrofiziko in kozmologijo.

Kot je pojasnila Kate Scholberg, fizičarka z univerze Duke in predstavnica podjetja COHERENT:

"Ko se množična zvezda zruši in nato eksplodira, nevtrini vržejo ogromno energije v zvezdno ovojnico. Razumevanje postopka se razume v tem, kako se zgodijo ti dramatični dogodki… Podatki COHERENT-a bodo pomagali pri interpretaciji meritev nevtrinskih lastnosti s poskusi po vsem svetu. Morda bomo lahko uporabili tudi koherentno sipanje, da bomo bolje razumeli zgradbo jedra. "

Čeprav ni potrebe po nadaljnji potrditvi njihovih rezultatov, raziskovalci COHERENT nameravajo izvesti dodatne meritve, da bi z različnimi hitrostmi opazovali skladne interakcije nevtrinov (še en podpis postopka). Iz tega upajo, da bodo razširili svoje znanje o naravi CEvNS in tudi drugih osnovnih nevtrinskih lastnosti - na primer njihovega notranjega magnetizma.

To odkritje je bilo vsekakor samo po sebi impresivno, saj potrjuje vidik standardnega modela fizike delcev in kozmologije Big Bang. Toda dejstvo, da metoda ponuja čistejše rezultate in se opira na instrumente, ki so bistveno manjši in cenejši od drugih poskusov - to je zelo impresivno!

Posledice te raziskave so zagotovo daljnosežne in zanimivo bo videti, katera druga odkritja omogočajo v prihodnosti!

Nadaljnje branje: Znanost, Nacionalni laboratorij Oak Ridge

Kategorija:
"Mini Jet" se vrne iz Saturnovega prstana
Kaj je povzročilo, da se je Kuiperjev pas izkrivil?