Nötrinolar, Evreni oluşturan temel parçacıklardan biridir. Diğer parçacık türlerine kıyasla, çok az kütleye sahiptirler, yüksüzdürler ve sadece zayıf nükleer kuvvet ve yerçekimi yoluyla başkalarıyla etkileşime girerler. Bu nedenle, mirasçı etkileşimlerinin kanıtını bulmak son derece zordur ve onları herhangi bir müdahaleye karşı korumak için yeraltında bulunan büyük enstrümanlar gerektirir.
Bununla birlikte, uluslararası bir araştırmacılar ekibi olan Oak Ridge Ulusal Laboratuarı'nda (ORNL) bulunan bir araştırma tesisi olan Spallation Nötron Kaynağı'nı (SNS) kullanarak, son zamanlarda tamamen farklı bir yöntem kullanarak nötrinolar hakkında tarihi bir keşif yaptı. COHERENT deneyinin bir parçası olarak, bu sonuçlar 43 yıl önce yapılan bir tahmini doğrular ve nötrino araştırmaları için yeni olanaklar sunar.
“Tutarlı elastik nötrino çekirdeği saçılımının gözlemlenmesi” başlıklı bulgularını detaylandıran çalışma yakın zamanda dergide yayınlandı Bilim. Araştırma, bir yıldan uzun süredir Tutarlı Elastik Nötrino-Nucleus Saçılması (CEvNS) olarak bilinen araştırmayı yapan 4 ülkeden 19 kurumdan 80 araştırmacının işbirliği yaptığı COHERENT deneyinin bir parçası olarak gerçekleştirildi.
Bu davranışın kanıtı bulunurken, COHERENT aslında tarih yazmıştır. Bir ORNL fizikçisi ve COHERENT teknik koordinatörü Jason Newby'nin bir ORNL basın açıklamasında söylediği gibi:
“Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki türünün tek örneği fizik deneyi, düşük enerjili nötrinoların çekirdekten tutarlı saçılmasını ölçen ilk deneyimdi.”
Her şeyi yıkmak için, parçacık fiziğinin Standart Modeli, nötrinoların lepton olduğunu, diğer maddelerle çok zayıf etkileşen bir parçacık olduğunu gösterir. Radyoaktif bozunma, yıldızlara güç veren nükleer reaksiyonlar ve süpernovadan yaratılırlar. Big Bang kozmolojinin modeli, evrenin yaratılmasının bir yan ürünü olduklarından, nötrinoların var olan en bol parçacıklar olduğunu da tahmin ediyor.
Bu nedenle, çalışmaları teorik fizikçiler ve kozmologlar için önemli bir odak noktası olmuştur. Daha önceki çalışmalarda, nötrino etkileşimleri tam anlamıyla tonlarca hedef materyal kullanılarak ve daha sonra nötrinoların onlara çarpmasından kaynaklanan parçacık dönüşümleri incelenerek tespit edildi.
Örnekler arasında, hedef malzemenin 50.000 ton ultra saf su olduğu bir yeraltı tesisi olan Japonya'daki Süper Kamiokande Gözlemevi bulunmaktadır. SNOLAB’ın Ontario, Sudbury yakınlarındaki eski bir maden kompleksinde bulunan Sudbury Neutrino Rasathanesi durumunda, SNO nötrino dedektörü nötrino tespiti için ağır suya güvenirken, SNO + deneyi sıvı bir sintilatör kullanacaktır.
Ve Antarktika'daki Amundsen – Scott Güney Kutbu İstasyonunda bulunan dünyanın en büyük nötrino dedektörü olan IceCube Neutrino Rasathanesi, nötrino etkileşimlerini tespit etmek için Antarktika buza güveniyor. Her durumda, tesisler son derece izole edilmiştir ve çok pahalı bir ekipmana güvenmektedir.
Bununla birlikte, COHERENT deneyi, sadece 14.5 kg (32 lbs) ağırlığında ve alan yolunda çok daha az yer kaplayarak karşılaştırma ile son derece daha küçük ve daha ekonomiktir. Deney, cıva atomlarını proton ışınlarıyla parçalamak için dünyadaki en yoğun darbeli nötron ışınlarını üreten mevcut SNS hızlandırıcı tabanlı sistemden yararlanmak için oluşturuldu.
Bu süreç, çeşitli bilimsel deneyler için kullanılan büyük miktarlarda nötron oluşturur. Bununla birlikte, süreç aynı zamanda bir yan ürün olarak önemli miktarda nötrino yaratır. Bundan yararlanmak için, COHERENT ekibi “nötrino sokağı” olarak bilinen bir nötrino deneyi geliştirmeye başladı. Civa tankına sadece 20 metre (45 feet) olan bir bodrum koridorunda yer alan kalın beton duvarlar ve çakıl, doğal koruma sağlar.
Koridor ayrıca ilave nötrinoları, kozmik ışınları ve diğer parçacıkları engellemek için büyük su tanklarıyla donatılmıştır. Ancak diğer deneylerden farklı olarak, COHERENT dedektörleri diğer atomların çekirdeklerine çarpan nötrino belirtileri arar. Bunu yapmak için ekip, nötrino etkileşimlerinin neden olduğu ışık sinyallerinin önemini arttırmak için odyum kullanan sezyum iyodür sintilatör kristaline dayanan dedektörlerle kordi.
Chicago Üniversitesi'nden bir fizikçi olan Juan Collar, SNS'de kullanılan dedektörü oluşturan tasarım ekibine liderlik etti. Açıkladığı gibi, bu, daha pahalı ve daha büyük dedektörleri ortadan kaldıran bir “temele dönüş” yaklaşımıydı:
“Onlar muhtemelen bir asırdır var olan en yaya tipi radyasyon dedektörüdür. Sodyum katkılı sezyum iyodür, küçük, “el tipi” uyumlu bir nötrino dedektörü olarak çalışmak için gereken tüm özellikleri birleştirir. Çok sık, daha azı daha fazladır. ”
Deneyleri ve SNS'nin karmaşıklığı sayesinde, araştırmacılar nötrinoların nötr Z bozonları değişimi yoluyla kuarklara bağlanabildiğini belirleyebildi. Koherent Elastik Nötrino-Nucleus Saçılması (CEvNS) olarak bilinen bu süreç ilk olarak 1973'te tahmin edildi. Ancak şimdiye kadar hiçbir deney veya araştırma ekibi bunu doğrulayamadı.
Jason Newby'nin belirttiği gibi, mevcut tesisin sofistike olması sayesinde deney büyük ölçüde başarılı oldu. “SNS nötrinolarının enerjisi bu deney için neredeyse mükemmel bir şekilde ayarlandı - algılanabilir bir sinyal oluşturacak kadar büyük, ancak tutarlılık durumundan faydalanacak kadar küçük” dedi. “Etkileşimin tek sigara tabancası, tek bir çekirdeğe verilen az miktarda enerjidir.”
Ürettiği veriler de önceki deneylerden daha temizdi, çünkü nötrinolar (onları üreten SNS nötron ışını gibi) de darbeli. Bu, sinyalin, nükleer reaktörler tarafından üretilenler gibi, kararlı durum nötrino kaynaklarına göre avantaj sağlayan arka plan sinyallerinden kolayca ayrılmasına izin verdi.
Ekip ayrıca, müon nötrinoları, muon antinötrinoları ve elektron nötrinolarını içeren üç nötrino çeşidini de tespit etti. Muon nötrinoları anında ortaya çıkarken, diğerleri birkaç mikrosaniye sonra tespit edildi. Bundan, COHERENT ekibi sadece CEvNS teorisini değil, aynı zamanda parçacık fiziğinin Standart Modelini de doğruladı. Bulgularının astrofizik ve kozmoloji için de etkileri vardır.
Duke Üniversitesi ve COHERENT’in sözcüsü Kate Scholberg'in açıkladığı gibi:
“Devasa bir yıldız çöküp patladığında, nötrinolar yıldız zarfına çok büyük enerji dökerler. Süreci anlamak, bu dramatik olayların nasıl gerçekleştiğini anlamak için beslenir… COHERENT’in verileri, dünyadaki deneylerle nötrino özelliklerinin ölçümlerinin yorumlanmasına yardımcı olacaktır. Çekirdeğin yapısını daha iyi anlamak için tutarlı saçılımı da kullanabiliriz. ”
Sonuçlarının daha fazla doğrulanmasına gerek olmamakla birlikte, COHERENT araştırmacıları tutarlı nötrino etkileşimlerini farklı oranlarda (sürecin başka bir imzası) gözlemlemek için ek ölçümler yapmayı planlamaktadır. Bundan sonra, CEvNS'nin doğası ve içsel manyetizmaları gibi diğer temel nötrino özellikleri hakkındaki bilgilerini genişletmeyi umuyorlar.
Bu keşif, hem parçacık fiziğinin Standart Modelinin hem de Big Bang kozmolojisinin bir yönünü doğruladığı göz önüne alındığında, kendi başına kesinlikle etkileyiciydi. Ancak yöntemin daha temiz sonuçlar sunması ve diğer deneylerden önemli ölçüde daha küçük ve daha ucuz enstrümanlara dayanması - bu çok etkileyici!
Bu araştırmanın sonuçları çok geniş kapsamlı olacaktır ve gelecekte diğer keşiflerin neler yapabileceğini görmek ilginç olacaktır!
