Учените успяха да заблудят времето и да хванат призрачна частица
Руските физици заедно с американските си колеги успяха да намерят потвърждение на почти половин век прогнози, че така наречената „призрачна частица“на неутрино взаимодейства с обикновената материя. Проведено е проучване, което може да помогне за създаването на устройство, което може да се види чрез ядрени реактори, както и да се установи какви процеси протичат вътре в свръхнови.
През 1974 г. сред учените е изразена теория за възможността за взаимодействие по някакъв непознат начин между неутрино и материя. Тези елементарни частици, милиони пъти по-леки от електрон, могат свободно да преминават през планетите. Сблъсъци с атомни ядра се случват периодично и неутрино взаимодействат с някои неутрони и протони. Но преди четири десетилетия учените направиха предположението, че е възможно взаимодействие между неутрино и ядрото като цяло. Този механизъм се нарича кохерентно разсейване на неутрино върху ядра. Той беше предложен като един от компонентите на Стандартния модел на електрослаби взаимодействия, но досега не е потвърден експериментално.
Електрослабеното взаимодействие е общо описание на няколко основни взаимодействия - електромагнитни и слаби. Общоприето е, че след като Вселената достигна температура от около 1015 келвина (и това се случи почти веднага след Големия взрив), тези взаимодействия бяха едно цяло. Слабите сили, за разлика от електромагнитните, се проявяват в много по-малък мащаб спрямо размера на атомното ядро. Те осигуряват бета разпад на ядрото, при което е възможно да се освободят не само неутрино, но и антинейтрино. В същото време, според теорията за електро-слабото взаимодействие възниква не само неутрино, но и взаимодействието му с материята, материята.
Теорията казва, че ако се случи процес на взаимодействие между неутрино и ядрото поради кохерентно разсейване, тогава се освобождава енергия, която се прехвърля в ядрото чрез Z-бозона, който е носител на слабо взаимодействие. Много е трудно да се поправи този процес, тъй като освобождаването на енергия е много незначително. За да се увеличи вероятността от кохерентно разсейване, тежки елементи се използват като цели, по-специално цезий, йод и ксенон. В същото време, колкото по-тежко е ядрото, толкова по-трудно е да се открие този обрат, което от своя страна също усложнява ситуацията.
Учените предложиха да се използват криогенни детектори за откриване на неутрино разсейване, теоретично способни да записват дори взаимодействието на проста материя и тъмна материя. Криогенният детектор е много студена камера, с температура само една стотна от градуса над абсолютната нула и която улавя малкото количество топлина, която се отделя по време на реакцията на ядра с неутрино. Кристали от калциев или германиев волфрамат се използват като субстрат, в допълнение, свръхпроводящи устройства, инертни течности или модифицирани полупроводници също могат да играят ролята на детектори.
След извършване на необходимите изчисления изследователите установяват, че идеалният кандидат за целта е цезиев йодид с примеси на натрий. Именно кристалите на това вещество станаха основата на малкия детектор (теглото му беше само 14 килограма, а размерът - 10x30 сантиметра). Този детектор е бил инсталиран в източника на неутрон на SNS, който се намира в американския щат Тенеси, в Националната лаборатория Оук Ридж. Детекторът беше поставен в тунел, екраниран с бетон и желязо, на около две десетки метра от източника, който възпроизвежда неутронни лъчи, но в същото време има страничен ефект - неутрино.
Изкуственият източник на SNS, за разлика от естествените източници на неутрино, по-специално земната атмосфера или Слънцето, е в състояние да произведе достатъчно голям неутрино лъч, за да бъде уловен от детектор, но в същото време достатъчно малък, за да причини последователно разсейване. Както отбелязват изследователите, детекторът и източникът се съчетават почти идеално. Молекулите на цезиев йодид при взаимодействие с частици се превръщат в сцинтилатори (с други думи, те излъчват енергия под формата на светлина). И именно тази светлина беше регистрирана. Според стандартния модел муонно неутрино, електронно неутрино и муонно антинейтрино влизат във взаимодействие с кристала.
Промоционално видео:
Това откритие е важно. И въпросът изобщо не е, че учените отново потвърдиха физическата картина на света, която Стандартният модел описва. Чрез съгласувано разсейване учените се надяват да разработят специфични инструменти и техники за наблюдение на ядрените реактори, които да помогнат да се види през стените какво се случва вътре. Освен това се наблюдава кохерентно разсейване вътре в неутронни и обикновени звезди, както и по време на експлозии на свръхнови. По този начин тя ще предостави възможност да научите повече за тяхната структура и живот. Учените знаят, че неутрините, присъстващи в червата на свръхновите, попадат във външната обвивка по време на експлозията, образувайки ударна вълна, която разкъсва звездата на парчета. Поради кохерентното разсейване може да се обясни подобно взаимодействие между неутрино и материята на звездата, която избухва.
Освен това, в търсенето на WIMPs - теоретични частици от тъмна материя, изследователите разчитат на откриване на радиация, която възниква при сблъсъка им и атомните ядра. Трябва да се разграничава от фона, който създава кохерентно разсейване на неутрино. Това може да подобри данните, които могат да бъдат получени за тъмната материя с помощта на криогенни и други детектори.