Нейтрино сложно изучать, потому что их взаимодействия с веществом очень редки. Особенно неуловимым было то, что известно как когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах, которое происходит, когда нейтрино отталкивается от ядра атома.
Международная коллаборация COHERENT, в которую входят физики из Калифорнийского университета в Чикаго, обнаружила процесс рассеяния с помощью детектора, который достаточно мал и легок, чтобы его мог носить с собой исследователь. Их результаты, подтверждающие теорию Дэниела Фридмана из Fermilab, были опубликованы 3 августа в журнале Science.
«Почему для наблюдения за этим взаимодействием потребовалось 43 года?» — спросил соавтор Хуан Коллар, профессор физики из Калифорнийского университета в Чикаго. «То, что происходит, очень тонко». Фридман не видел особого шанса на экспериментальное подтверждение, написав в то время: «Наше предложение может быть актом высокомерия, потому что неизбежные ограничения скорости взаимодействия, разрешения и фона создают серьезные экспериментальные трудности».Когда нейтрино врезается в ядро атома, оно создает крошечную, едва поддающуюся измерению отдачу.
Изготовление детектора из тяжелых элементов, таких как йод, цезий или ксенон, резко увеличивает вероятность этого нового режима взаимодействия нейтрино по сравнению с другими процессами. Но есть компромисс, поскольку возникающие крошечные ядерные отдачи становится труднее обнаружить по мере того, как ядро становится тяжелее.«Представьте, что ваши нейтрино — это шары для пинг-понга, ударяющиеся о шар для боулинга.
Они будут сообщать этому шару для боулинга лишь крошечный дополнительный импульс», — сказал Коллар.Чтобы обнаружить эту крошечную отдачу, Коллар и его коллеги выяснили, что кристалл йодида цезия, допированный натрием, был идеальным материалом.
Это открытие заставило ученых отказаться от тяжелых и гигантских детекторов, часто используемых в исследованиях нейтрино, в пользу одного, похожего по размеру на тостер.Нет гигантской лабораторииДетектор размером 4 на 13 дюймов, используемый для получения результатов Science, весит всего 32 фунта (14,5 кг). Для сравнения: самые известные нейтринные обсерватории мира оснащены тысячами тонн детекторного материала.
«Необязательно строить вокруг него гигантскую лабораторию», — сказал докторант Калифорнийского университета в Чикаго Бьорн Шольц, чья диссертация будет содержать результаты, опубликованные в статье Science. «Теперь мы можем подумать о создании других небольших детекторов, которые затем можно было бы использовать, например, для контроля потока нейтрино на атомных электростанциях. Вы просто устанавливаете симпатичный маленький детектор снаружи, и вы можете измерять его на месте».Тем временем нейтринные физики заинтересованы в использовании этой технологии, чтобы лучше понять свойства загадочной частицы.
«Нейтрино — одна из самых загадочных частиц», — сказал Коллар. «Мы игнорируем многое в них. Мы знаем, что они имеют массу, но не знаем точно, сколько».
Физики надеются ответить на эти вопросы, измеряя когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах. Научная статья COHERENT Collaboration, например, налагает ограничения на новые типы взаимодействия нейтрино-кварк, которые были предложены.Результаты также имеют значение для поиска слабовзаимодействующих массивных частиц.
Вимпы — это кандидаты в частицы темной материи, невидимого материала неизвестного состава, на долю которого приходится 85 процентов массы Вселенной.«То, что мы наблюдали с нейтрино, — это тот же процесс, который, как ожидается, будет происходить во всех детекторах WIMP, которые мы строим, — сказал Коллар.Аллея нейтрино
Сотрудничество COHERENT, в котором участвуют 90 ученых из 18 институтов, ведет поиск когерентного рассеяния нейтрино на источнике нейтронов расщепления в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Исследователи установили свои детекторы в подвальном коридоре, который стал известен как «переулок нейтрино». Этот коридор надежно защищен железом и бетоном от зоны поражения высокорадиоактивного пучка нейтронов, находящейся всего в 20 метрах (менее 25 ярдов) от него.Этот переулок нейтрино решил основную проблему для обнаружения нейтрино: он экранирует почти все нейтроны, генерируемые источником нейтронов расщепления, но нейтрино все еще могут достигать детекторов.
Это позволяет исследователям более четко видеть взаимодействия нейтрино в своих данных. В другом месте они были бы легко заглушены более заметными обнаружениями нейтронов.Источник нейтронов расщепления генерирует самые интенсивные в мире импульсные нейтронные пучки для научных исследований и промышленных разработок. В процессе генерации нейтронов СНС также производит нейтрино, хотя и в меньших количествах.
«Вы могли бы использовать более сложный тип детектора нейтрино, но не подходящий источник нейтрино, и вы бы не увидели этого процесса», — сказал Коллар. «Именно брак идеального источника и идеального детектора заставил эксперимент работать».Двое из бывших аспирантов Коллара являются соавторами научной статьи: Филипп Барбо, AB’01, SB’01, PhD’09, ныне доцент физики в Университете Дьюка; и Николь Филдс, доктор философии’15, ныне медицинский физик Комиссии по ядерному регулированию США в Чикаго.
Разработка компактного нейтринного детектора претворяет в жизнь идею, предложенную в 1984 г. выпускником Университета Чикаго Лео Стодольским, SM’58, PhD’64. Стодольский и Анджей Друкиер, оба из Института физики и астрофизики Макса Планка в Германии, отметили, что когерентный детектор будет относительно небольшим и компактным, в отличие от более распространенных детекторов нейтрино, содержащих тысячи галлонов воды или жидкого сцинтиллятора.
В своей работе они предсказали появление нейтринных технологий будущего, которые станут возможными благодаря миниатюризации детекторов.Шольц, аспирант Калифорнийского университета в Чикаго, приветствовал ученых, которые десятилетиями работали над созданием технологии, которая привела к обнаружению когерентного рассеяния нейтрино.
«Я не могу понять, что они должны чувствовать сейчас, когда это наконец обнаружено, и они достигли одной из своих жизненных целей», — сказал Шольц. «Я пришел в конце гонки. Мы определенно должны отдать должное всей огромной работе, которую люди проделали до нас».