Neutrinos on üks põhilisi osakesi, mis moodustavad Universumi. Võrreldes teist tüüpi osakestega, on neil väga väike mass, neil puudub laeng ja nad suhtlevad teistega ainult nõrga tuumajõu ja gravitatsiooni kaudu. Sellisena on pärijate vastasmõju kohta tõendite leidmine äärmiselt keeruline, mis nõuab massiivseid instrumente, mis asuvad sügaval maa all, et kaitsta neid igasuguse sekkumise eest.
Kuid kasutades Oak Ridge'i riiklikus laboris (ORNL) asuvat teadusrajatist Spallation Neutron Source (SNS) - rahvusvaheline teadlaste meeskond tegi hiljuti ajaloolise avastuse neutriinode kohta, kasutades täiesti erinevat meetodit. COHERENTi eksperimendi käigus kinnitavad need tulemused 43 aastat tagasi tehtud ennustust ja pakuvad uusi võimalusi neutriino-uuringuteks.
Hiljuti avaldati ajakirjas nende järeldusi üksikasjalikult kirjeldav uuring pealkirjaga „Koherentse elastse neutriinotuuma hajumise vaatlus“ Teadus. Uurimistöö viidi läbi eksperimentaali COHERENT raames, milles osalesid 80 teadlast 19 institutsioonist rohkem 4 riigist, kes on üle aasta otsinud nn sidusat elastse neutriino-tuuma hajumist (CEvNS).
Sellele käitumisele tõendite leidmisel on COHERENT sisuliselt ajaloo teinud. Nagu ütles ORNLi füüsik ja COHERENTi tehniline koordinaator Jason Newby ORNLi pressiteates:
"Oak Ridge'i riiklikus laboris tehtud ainulaadne osakestefüüsika katse oli esimene, mis mõõtis tuumade madala energiatarbimisega neutriinode sidusat hajumist."
Selle kõige lagundamiseks näitab osakestefüüsika standardmudel, et neutriinod on leptonid - osake, mis suhtleb teiste ainetega väga nõrgalt. Need tekivad radioaktiivse lagunemise, tähtede jõul toimuvate tuumareaktsioonide ja supernoovade kaudu. Kosmoloogia Suure Paugu mudel ennustab ka, et neutriinod on kõige rikkalikumad eksisteerivad osakesed, kuna need on Universumi loomise kõrvalsaadus.
Sellisena on nende uuring olnud teoreetiliste füüsikute ja kosmoloogide peamine keskpunkt. Varasemates uuringutes tuvastati neutriinointeraktsioonid, kasutades sõna otseses mõttes tonni sihtmaterjali ja seejärel uurides osakeste muundumisi, mis tulenesid neid tabanud neutriinodest.
Näitena võib tuua Jaapanis asuva Super-Kamiokande vaatluskeskuse, maa-aluse rajatise, mille sihtmaterjaliks on 50 000 tonni ülipuhta vett. SNOLABi Sudbury Neutrino observatooriumi puhul - mis asub endises kaevanduskompleksis Sudbury lähedal Ontarios - tugineb SNO neutriinodetektor neutriino tuvastamiseks raskele veele, samas kui SNO + katses kasutatakse vedelikstsintillaatorit.
Ja IceCube Neutrino observatoorium - maailma suurim neutriinodetektor, mis asub Antarktikas Amundseni – Scotti lõunapooluse jaamas - tugineb neutriinointeraktsioonide tuvastamiseks Antarktika jääle. Kõigil juhtudel on rajatised äärmiselt isoleeritud ja sõltuvad väga kallitest seadmetest.
COHERENTi eksperiment on aga tohutult väiksem ja ökonoomsem, võrreldes sellega, see kaalub kõigest 14,5 kg (32 naela) ja võtab ruumi vähem. Katse loodi selleks, et kasutada ära olemasolevat SNS-ga kiirendil põhinevat süsteemi, mis tekitab maailmas kõige intensiivsemaid impulssneutronkiirte, et purustada elavhõbeda aatomeid prootonite kiirtega.
Selle protsessi käigus luuakse tohutul hulgal neutroneid, mida kasutatakse mitmesuguste teaduslike katsete jaoks. Kuid selle protsessi käigus luuakse kõrvalsaadusena ka märkimisväärne kogus neutriine. Selle ärakasutamiseks asus COHERENTi meeskond välja töötama neutriinoeksperimenti, mida tuntakse kui “neutriino allee”. Paksud betooniseinad ja kruus, mis asuvad elavhõbeda mahutist vaid 20 meetri (45 jalga) kaugusel keldrikoridoris, pakuvad looduslikku varjestust.
Koridor on varustatud ka suurte veemahutitega, et blokeerida täiendavad neutriinod, kosmilised kiired ja muud osakesed. Kuid erinevalt teistest katsetest otsivad COHERENTi detektorid teiste aatomite tuumadesse põrkuvate neutriinode märke. Selleks sisustas meeskond koridori detektoritega, mis tuginevad tseesiumjodiidi stsintillaatori kristallile, mis kasutab odiumi ka neutriino interaktsioonidest põhjustatud valgussignaalide nähtavuse suurendamiseks.
Chicago ülikooli füüsik Juan Collar juhtis disainimeeskonda, kes lõi SNS-is kasutatava detektori. Nagu ta selgitas, oli tegemist nn põhitõdedega lähenemisega, mis tegi ära kallimate ja massiivsete detektorite:
„Nad on vaieldamatult kõige jalakäijatele mõeldud kiirgusdetektorid, mis on olemas olnud juba sajandi. Naatriumlegeeritud tseesiumjodiid ühendab kõik omadused, mis on vajalikud väikese, käeshoitava koherentse neutriinodetektorina töötamiseks. Väga sageli on vähem rohkem. ”
Tänu oma eksperimendile ja SNS-i keerukusele suutsid teadlased kindlaks teha, et neutriinod on neutraalsete Z-bosonite vahetamise kaudu võimelised kvarkidega siduma. Seda protsessi, mida tuntakse kui sidusat elastse neutrino-tuuma hajumist (CEvNS), ennustati esmakordselt 1973. aastal. Kuid seni pole ükski katse ega uurimisrühm seda suutnud kinnitada.
Nagu Jason Newby märkis, õnnestus eksperiment suuresti tänu olemasoleva rajatise keerukusele. "SNS-i neutriinode energia on selle katse jaoks peaaegu suurepäraselt häälestatud - piisavalt suur, et tekitada tuvastatav signaal, kuid piisavalt väike, et koherentsuse tingimust ära kasutada," ütles ta. "Koostoime ainus suitsetamispüstol on ühele tuumale eraldatud väike kogus energiat."
Samuti olid selle saadud andmed puhtamad kui varasemate katsete puhul, kuna ka neutriinod (nagu neid tootnud SNS-i neutronikiir) olid impulssidega. See võimaldas signaali hõlpsalt eraldada taustsignaalidest, mis andis eelise püsiseisundi neutriinoallikate - näiteks tuumareaktorite toodetavate - suhtes.
Meeskond tuvastas ka kolm neutrino "maitset", mille hulka kuulusid müoni neutriinod, müoni antineutrinod ja elektronide neutriinod. Kui müoonide neutriinod tekkisid silmapilkselt, tuvastati teised paar mikrosekundit hiljem. Sellest lähtuvalt ei kinnitanud COHERENTi meeskond mitte ainult CEvNS-i teooriat, vaid ka osakeste füüsika standardmudelit. Nende leiud mõjutavad ka astrofüüsikat ja kosmoloogiat.
Nagu Duke'i ülikooli füüsik ja COHERENTi pressiesindaja Kate Scholberg selgitas:
“Kui massiivne täht variseb kokku ja seejärel plahvatab, uputavad neutriinod tohutu energia täheümbrisesse. Protsessi mõistmine eeldab nende dramaatiliste sündmuste toimumise mõistmist ... COHERENTi andmed aitavad neutriinoomaduste mõõtmiste tõlgendamisel läbi kogu maailma tehtud katsete abil. Võimalik, et ka tuuma struktuuri paremaks mõistmiseks võime kasutada sidusat hajumist. ”
Ehkki nende tulemusi pole vaja täiendavalt kinnitada, plaanivad COHERENTi teadlased läbi viia täiendavaid mõõtmisi, et jälgida koherentseid neutriinointeraktsioone erineva kiirusega (protsessi teine allkiri). Sellest alates loodavad nad laiendada oma teadmisi CEvNS-i olemuse ja muude peamiste neutriinoomaduste - näiteks nende loomupärase magnetismi - kohta.
See avastus oli kindlasti omaette muljetavaldav, arvestades, et see valideerib nii osakeste füüsika standardmudeli kui ka Suure Paugu kosmoloogia aspekti. Kuid tõsiasi, et meetod pakub puhtamaid tulemusi ja tugineb instrumentidele, mis on teiste katsetega võrreldes oluliselt väiksemad ja odavamad - see on väga muljetavaldav!
Selle uurimistöö tagajärjed on kindlasti kaugeleulatuvad ja on huvitav näha, milliseid muid avastusi see tulevikus võimaldab!
