Neutrino's zijn een van de fundamentele deeltjes waaruit het heelal bestaat. Vergeleken met andere soorten deeltjes hebben ze een zeer kleine massa, geen lading en werken ze alleen met anderen samen via de zwakke kernkracht en zwaartekracht. Als zodanig is het vinden van bewijs van erfelijke interacties buitengewoon moeilijk, omdat enorme instrumenten diep onder de grond nodig zijn om ze te beschermen tegen interferentie.
Met behulp van de Spallation Neutron Source (SNS), een onderzoeksfaciliteit in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL), heeft een internationaal team van onderzoekers onlangs een historische ontdekking gedaan over neutrino's met een geheel andere methode. Als onderdeel van het COHERENT-experiment bevestigen deze resultaten een voorspelling van 43 jaar geleden en bieden ze nieuwe mogelijkheden voor neutrino-onderzoek.
Het onderzoek met details over hun bevindingen, getiteld "Observation of coherent elastische neutrino-nucleus scattering", is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift. Wetenschap. Het onderzoek is uitgevoerd als onderdeel van het COHERENT-experiment, een samenwerking van 80 onderzoekers van 19 instellingen uit meer 4 landen die al meer dan een jaar op zoek is naar wat bekend staat als Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS).
Bij het vinden van bewijs van dit gedrag heeft COHERENT in wezen geschiedenis geschreven. Zoals Jason Newby, een natuurkundige van ORNL en de technische coördinator van COHERENT, zei in een ORNL-persverklaring:
"Het unieke deeltjesfysica-experiment in het Oak Ridge National Laboratory was het eerste dat coherente verstrooiing van laag-energetische neutrino's van kernen meet."
Om het allemaal op te splitsen, geeft het standaardmodel van de deeltjesfysica aan dat neutrino's leptonen zijn, een deeltje dat zeer zwak interageert met andere materie. Ze worden gecreëerd door radioactief verval, de nucleaire reacties die sterren aandrijven, en door supernovae. Het Big Bang-model van de kosmologie voorspelt ook dat neutrino's de meest voorkomende deeltjes zijn, aangezien ze een bijproduct zijn van de schepping van het heelal.
Als zodanig was hun studie een belangrijk aandachtspunt voor theoretische natuurkundigen en kosmologen. In eerdere studies werden neutrino-interacties gedetecteerd door letterlijk tonnen doelmateriaal te gebruiken en vervolgens de deeltjestransformaties te onderzoeken die het gevolg waren van het raken van neutrino's.
Voorbeelden zijn het Super-Kamiokande-observatorium in Japan, een ondergrondse faciliteit waar het doelmateriaal 50.000 ton ultrazuiver water is. In het geval van SNOLAB's Sudbury Neutrino Observatory - dat zich in een voormalig mijnencomplex nabij Sudbury, Ontario bevindt - vertrouwt de SNO neutrinodetector op zwaar water voor neutrinodetectie, terwijl het SNO + experiment een vloeibare scintillator zal gebruiken.
En het IceCube Neutrino-observatorium - de grootste neutrinodetector ter wereld, gelegen op het Amundsen-Scott South Pole Station op Antarctica - vertrouwt op Antarctisch ijs om neutrino-interacties te detecteren. In alle gevallen zijn de faciliteiten extreem geïsoleerd en vertrouwen ze op een zeer dure uitrusting.
Het COHERENT-experiment is echter enorm kleiner en zuiniger in vergelijking, weegt slechts 14,5 kg (32 lbs) en neemt veel minder ruimte in beslag. Het experiment is gemaakt om te profiteren van het bestaande SNS-acceleratorgebaseerde systeem, dat de meest intense gepulseerde neutronenbundels ter wereld produceert om kwikatomen te vernietigen met bundels protonen.
Dit proces creëert enorme hoeveelheden neutronen die worden gebruikt voor verschillende wetenschappelijke experimenten. Het proces creëert echter ook een aanzienlijke hoeveelheid neutrino's als bijproduct. Om hiervan te profiteren, begon het COHERENT-team met het ontwikkelen van een neutrino-experiment dat bekend staat als "neutrino alley". Gelegen in een keldergang op slechts 20 meter (45 voet) van de kwiktank, zorgen de dikke betonnen muren en grind voor natuurlijke afscherming.
De gang is ook uitgerust met grote watertanks om extra neutrino's, kosmische straling en andere deeltjes tegen te houden. Maar in tegenstelling tot andere experimenten, zoeken de COHERENT-detectoren naar tekenen van neutrino's die tegen de kernen van andere atomen botsen. Om dit te doen, heeft het team de gang uitgerust met detectoren die vertrouwen op een cesiumjodidescintillatorkristal, dat ook odium gebruikt om de bekendheid van lichtsignalen veroorzaakt door neutrino-interacties te vergroten.
Juan Collar, een natuurkundige van de Universiteit van Chicago, leidde het ontwerpteam dat de detector heeft gemaakt die bij SNS wordt gebruikt. Zoals hij uitlegde, was dit een "back-to-basics" -benadering die duurdere en grotere detectoren weghaalde:
'Ze zijn misschien wel de meest voetgangers-soort stralingsdetector die er is, en bestaan al een eeuw. Met natrium gedoteerd cesiumjodide voegt alle eigenschappen samen die nodig zijn om te werken als een kleine, 'draagbare' coherente neutrinodetector. Vaak is minder meer. '
Dankzij hun experiment en de verfijning van de SNS konden de onderzoekers vaststellen dat neutrino's in staat zijn om te koppelen aan quarks door de uitwisseling van neutrale Z-bosonen. Dit proces, dat bekend staat als Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), werd voor het eerst voorspeld in 1973. Maar tot nu toe heeft geen enkel experiment of onderzoeksteam het kunnen bevestigen.
Zoals Jason Newby aangaf, is het experiment grotendeels gelukt dankzij de verfijning van de bestaande faciliteit. "De energie van de SNS-neutrino's is bijna perfect afgestemd voor dit experiment - groot genoeg om een detecteerbaar signaal te creëren, maar klein genoeg om te profiteren van de coherentieconditie", zei hij. 'Het enige rokende wapen van de interactie is een kleine hoeveelheid energie die wordt afgegeven aan een enkele kern.'
De gegevens die het produceerde waren ook schoner dan bij eerdere experimenten, omdat de neutrino's (zoals de SNS-neutronenbundel die ze produceerde) ook gepulseerd waren. Dit maakte de eenvoudige scheiding van het signaal van achtergrondsignalen mogelijk, wat een voordeel bood ten opzichte van stationaire neutrino-bronnen - zoals die worden geproduceerd door kernreactoren.
Het team ontdekte ook drie 'smaken' van neutrino's, waaronder muon-neutrino's, muon-antineutrino's en elektronen-neutrino's. Terwijl de muon-neutrino's onmiddellijk tevoorschijn kwamen, werden de andere een paar microseconden later gedetecteerd. Hieruit heeft het COHERENT-team niet alleen de theorie van CEvNS gevalideerd, maar ook het standaardmodel van de deeltjesfysica. Hun bevindingen hebben ook implicaties voor astrofysica en kosmologie.
Kate Scholberg, een natuurkundige van Duke University en COHERENT's woordvoerder, legde uit:
'Wanneer een massieve ster instort en vervolgens explodeert, dumpen de neutrino's enorme energie in de stellaire omhulling. Als u het proces begrijpt, krijgt u meer inzicht in hoe deze dramatische gebeurtenissen plaatsvinden ... De gegevens van COHERENT zullen helpen bij de interpretatie van metingen van neutrino-eigenschappen door experimenten wereldwijd. Mogelijk kunnen we ook coherente verstrooiing gebruiken om de structuur van de kern beter te begrijpen. '
Hoewel er geen verdere bevestiging van hun resultaten nodig is, zijn de COHERENT-onderzoekers van plan aanvullende metingen uit te voeren om coherente neutrino-interacties met verschillende snelheden te observeren (een andere handtekening van het proces). Hieruit hopen ze hun kennis van de aard van CEvNS, evenals andere fundamentele neutrino-eigenschappen - zoals hun intrinsieke magnetisme - uit te breiden.
Deze ontdekking was op zichzelf al indrukwekkend, aangezien het een aspect van zowel het standaardmodel van de deeltjesfysica als de oerknal-kosmologie valideert. Maar het feit dat de methode schonere resultaten biedt en vertrouwt op instrumenten die aanzienlijk kleiner en goedkoper zijn dan andere experimenten - dat is zeer indrukwekkend!
De implicaties van dit onderzoek zullen zeker verreikend zijn en het zal interessant zijn om te zien welke andere ontdekkingen het in de toekomst mogelijk maakt!
