Tutkijat onnistuivat harhauttamaan aikaa ja tarttumaan aavepartikkeliin
Venäläiset fyysikot pystyivät yhdessä amerikkalaisten kollegoidensa kanssa löytämään vahvistuksen lähes puoli vuosisataa kestäneille ennusteille, joiden mukaan neutriinojen ns. "Kummituspartikkelit" ovat vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa. On tehty tutkimus, joka voi auttaa luomaan laitteen, joka näkee ydinreaktorien läpi, samoin kuin selvittää, mitkä prosessit tapahtuvat supernoovien sisällä.
Vuonna 1974 tutkijat esittelivät teorian mahdollisesta vuorovaikutuksesta jollain tuntemattomalla tavalla neutriinojen ja aineen välillä. Nämä perushiukkaset, jotka ovat miljoonia kertoja kevyempiä kuin elektroni, pääsevät vapaasti planeettojen läpi. Törmäyksiä atomiytimien kanssa tapahtuu ajoittain, ja neutriinot ovat vuorovaikutuksessa joidenkin neutronien ja protonien kanssa. Mutta neljä vuosikymmentä sitten, tutkijat olettivat, että vuorovaikutus on mahdollista neutriinon ja ytimen välillä kokonaisuutena. Tätä mekanismia kutsutaan koherentiksi neutriinohajotuksiksi ytimissä. Sitä ehdotettiin yhdeksi sähköajan vuorovaikutusten standardimallin komponenteiksi, mutta sitä ei ole vahvistettu kokeellisesti toistaiseksi.
Sähköajan vuorovaikutus on yleinen kuvaus useista perustavanlaatuisista vuorovaikutuksista - sähkömagneettisista ja heikoista. On yleisesti hyväksyttyä, että sen jälkeen kun maailmankaikkeus saavutti lämpötilan noin 1015 kelviniä (ja tämä tapahtui melkein heti Ison räjähdyksen jälkeen), nämä vuorovaikutukset olivat yksi kokonaisuus. Heikot voimat, toisin kuin sähkömagneettiset, ilmenevät paljon pienemmässä mittakaavassa suhteessa atomin ytimen kokoon. Ne mahdollistavat ytimen beeta-hajoamisen, jossa on mahdollista vapauttaa paitsi neutriinoja, myös antineutrinoja. Samanaikaisesti sähköhöyryn vuorovaikutusteorian mukaan neutriinoa ei aiheudu, vaan myös sen vuorovaikutus aineen kanssa.
Teorian mukaan jos neutriino- ja ytimen välillä tapahtuu vuorovaikutusprosessia koherentin sironnan vuoksi, energia vapautuu, joka siirtyy ytimeen Z-bosonin kautta, joka on heikon vuorovaikutuksen kantaja. Tätä prosessia on erittäin vaikea korjata, koska energian vapautuminen on hyvin merkityksetöntä. Koherenttisen sironnan todennäköisyyden lisäämiseksi kohteina käytetään raskaita elementtejä, erityisesti cesiumia, jodia ja ksenonia. Samanaikaisesti mitä raskaampi ydin, sitä vaikeampi on havaita tämä recoil, mikä puolestaan monimutkaistaa tilannetta.
Tutkijat ehdottivat kryogeenisten ilmaisimien käyttöä neutriinisironnan havaitsemiseksi. Teoreettisesti se pystyy tallentamaan jopa yksinkertaisen aineen ja tumman aineen vuorovaikutuksen. Kryogeeninen ilmaisin on erittäin kylmä kammio, jonka lämpötila on vain sadannesosa astetta absoluuttisen nollan yläpuolella ja joka vangitsee pienen määrän lämpöä, joka vapautuu ytimien reagoidessa neutriinojen kanssa. Substraattina käytetään kalsium- tai germaniumvolframaatin kiteitä, lisäksi suprajohtavat laitteet, inertit nesteet tai modifioidut puolijohteet voisivat myös olla ilmaisimien rooli.
Tarvittavien laskelmien suorittamisen jälkeen tutkijat havaitsivat, että ihanteellinen kohdeehdokas on cesiumjodidi, jolla on natriumin epäpuhtauksia. Juuri tämän aineen kiteistä tuli pienen ilmaisimen perusta (sen paino oli vain 14 kiloa ja koko oli 10x30 senttimetriä). Tämä ilmaisin asennettiin SNS-neutronilähteeseen, joka sijaitsee Yhdysvaltain Tennessee-osavaltiossa, Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa. Ilmaisin sijoitettiin betonilla ja raudalla suojattuun tunneliin, noin kahden tusinan metrin päässä lähteestä, joka tuottaa neutronisäteitä, mutta samalla siinä on sivuvaikutus - neutriinot.
Keinotekoinen SNS-lähde, toisin kuin luonnolliset neutriinolähteet, erityisesti maan ilmakehä tai aurinko, pystyy tuottamaan riittävän suuren neutriinisäteen, jotta se voidaan vangita ilmaisimella, mutta samalla riittävän pieni aiheuttamaan koherenttia sirontaa. Kuten tutkijat huomauttavat, ilmaisin ja lähde sopivat yhteen lähes täydellisesti. Cesiumjodidimolekyylit muuttuvat vuorovaikutuksessa hiukkasten kanssa tuikineiksi (toisin sanoen ne lähettävät energiaa uudelleen valon muodossa). Ja juuri tämä valo rekisteröitiin. Standardimallin mukaan muoninen neutriino, elektroninen neutriino ja muoni-antineutrino aloittivat vuorovaikutuksen kristallin kanssa.
Mainosvideo:
Tämä löytö on tärkeä. Ja asia ei ole ollenkaan se, että tutkijat ovat jälleen vahvistaneet fyysisen kuvan maailmasta, jonka standardimalli kuvaa. Johdonmukaisen sironnan avulla tutkijat toivovat kehittävänsä erityisiä työkaluja ja tekniikoita ydinreaktoreiden tarkkailuun auttaakseen näkemään seinien läpi, mitä sisällä tapahtuu. Lisäksi koherentti sironta tapahtuu neutronien ja tavallisten tähtien sisällä, samoin kuin supernoovan räjähdyksissä. Siksi se tarjoaa mahdollisuuden oppia lisää heidän rakenteestaan ja elämästään. Tutkijat tietävät, että supernoovien suolistossa olevat neutriinot osuvat ulkovaippaan räjähdyksen aikana muodostaen iskuaallon, joka repii tähden paloiksi. Koherentin sironnan vuoksi voidaan selittää samanlainen vuorovaikutus neutriinojen ja räjähtävän tähtien välillä.
Lisäksi etsiessäsi WIMP: itä - pimeän aineen teoreettisia hiukkasia - tutkijat luottavat havaitsemaan säteily, joka syntyy heidän törmäyksestään ja atomiytimistä. Se on erotettava taustasta, joka luo koherentin neutriinisironnan. Tämä voi parantaa pimeästä aineesta saatavia tietoja kryogeenisten ja muiden ilmaisimien avulla.