Самый маленький детектор нейтрино в мире обнаруживает большой физический отпечаток
Эксперимент COHERENT, в котором используется самый маленький в мире детектор нейтрино, обнаружил большой отпечаток неуловимых, электрически нейтральных частиц, которые слабо взаимодействуют с веществом, после более чем года работы в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики (DOE).
Исследование, проведенное в ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) и опубликованное в журнале Science, представляет убедительные доказательства процесса взаимодействия нейтрино, предсказанного 43 года назад, но никогда не наблюдавшегося.
Физик ORNL Джейсон Ньюби, технический координатор и один из 11 участников ORNL в COHERENT, в сотрудничестве с 80 исследователями из 19 учреждений и четырех стран, сказал: "Единственный в своем роде эксперимент по физике частиц в Национальной лаборатории Ок-Ридж впервые измерил когерентное рассеяние низкоэнергетических нейтрино на ядрах".
SNS создает большой поток нейтрино как следствие производства нейтронов для научных исследований. Размещение детектора на SNS, всего в 65 футах (20 метрах) от источника нейтрино, значительно увеличило вероятность взаимодействия, а также позволило исследователям уменьшить вес детектора до 32 фунтов (14,5 килограмма). Большинство нейтринных детекторов, с другой стороны, весят тысячи тонн: регулярно подвергаясь воздействию солнечных, земных и атмосферных нейтрино, они должны быть огромными, поскольку вероятность взаимодействия более чем в 100 раз ниже, чем на SNS.
Исследователи первыми обнаружили и проанализировали когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах. Это долгожданное подтверждение, предсказанное в Стандартной модели физики частиц, оценивает процесс достаточно точно, чтобы наложить ограничения на альтернативные теоретические модели.
Отдельные протоны или нейтроны в ядре обычно взаимодействуют с нейтрино. С другой стороны, при “когерентном” рассеянии входящее нейтрино “видит” и взаимодействует со всем слабым зарядом ядра в целом.
Ньюби пояснил: "Энергия нейтрино SNS почти точно откалибрована для этого эксперимента - достаточно большая, чтобы дать обнаруживаемый сигнал, но достаточно маленькая, чтобы воспользоваться требованием когерентности". «Небольшое количество энергии, переданное одному ядру, является единственным признаком взаимодействия".
Этот сигнал так же трудно обнаружить, как небольшую отдачу шара для боулинга при ударе по нему мячом для пинг-понга.
Детектор, используемый на SNS, - кристалл сцинтиллятора йодистого цезия, допированный натрием для улучшения яркости световых сигналов от взаимодействия нейтрино, - был разработан физиком Хуаном Колларом из Чикагского университета.
Он вернулся к простым неорганическим сцинтилляторам после экспериментов с более продвинутыми технологиями. «Они существуют уже более века и, несомненно, являются наиболее распространенным типом доступных детекторов излучения. «Йодид цезия, допированный натрием, сочетает в себе все качества, необходимые для работы в качестве небольшого« портативного »когерентного детектора нейтрино», - пояснил он. "Во многих случаях меньше - значит больше".
Поиск правильного детектора и источника нейтрино имел решающее значение для успеха. Коллар объяснил: "Детектор был создан с учетом SNS". "SNS - это не только источник нейтронов, но и источник нейтрино. Это позволит нам приступить к многим другим интригующим миссиям в области нейтринной физики".
Поскольку SNS генерирует импульсные нейтронные пучки, нейтрино также являются импульсными, что позволяет легко разделить сигнал и фон. Поэтому сбор данных проще, чем при использовании стационарных источников нейтрино, таких как ядерные реакторы.
COHERENT обнаружил три вида нейтрино: мюонные нейтрино, появившиеся мгновенно с нейтронным пучком, мюонные антинейтрино и электронные нейтрино, появившиеся через несколько микросекунд. «Обнаруженные нами энергетические и временные отпечатки предсказываются Стандартной моделью», - добавил Ньюби."Хуану [Коллару] нужно было убедиться, что он выбрал систему детектирования с достаточным временным разрешением, чтобы различить быстрый и запаздывающий сигналы".
"Хуану [Коллару] нужно было убедиться, что он выбрал систему детектирования с достаточным временным разрешением, чтобы различить быстрый и запаздывающий сигналы".
«Когда большая звезда коллапсирует и в конечном итоге взрывается, нейтрино выделяют огромное количество энергии в звездную оболочку», - говорит представитель COHERENT Кейт Шолберг из Университета Дьюка. «Знание процесса поможет вам понять, как происходят эти впечатляющие события».
Когерентное упругое рассеяние также полезно для обнаружения массивного нейтринного взрыва сверхновой. «Когда это происходит в Млечном Пути, нейтрино всех видов будут сталкиваться с ядрами, и чувствительные детекторы темной материи могут увидеть всплеск небольших отдач», - сказала она.
«Данные COHERENT помогут в интерпретации измерений свойств нейтрино, проведенных в экспериментах по всему миру», - сказал Шольберг. «Когерентное рассеяние также может помочь нам лучше понять структуру ядра».
Исследователи COHERENT проведут дополнительные измерения с использованием по крайней мере трех детекторных технологий, чтобы наблюдать когерентные взаимодействия нейтрино с разными скоростями, что является еще одним признаком процесса, несмотря на то, что детектор на иодиде цезия подтвердил когерентное рассеяние без тени сомнения. Эти детекторы дополнят наше понимание основных свойств нейтрино, таких как собственный магнетизм.
Партнеры из Российской Федерации (Институт А.И. Алиханова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»; Национальный исследовательский ядерный университет Московский инженерно-физический институт) и США (Университет Индианы, Ядерная лаборатория университетов Треугольника, Университет Дьюка, Университет Теннесси – Ноксвилл, Север Центральный университет Каролины) были частью группы (Корейский передовой институт науки и технологий и Институт фундаментальных наук).
«Наблюдение когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах» - так называется научная статья.
Исследования на месте и установка для эксперимента в SNS были профинансированы программой ORNL по лабораторным исследованиям и разработкам (LDRD). Детектор был построен на средства Национального научного фонда, Института космологической физики Кавли при Чикагском университете, а также на средства Фонда Кавли и его создателя Фреда Кавли.
Дополнительное финансирование было предоставлено Управлением по науке Министерства энергетики США ; Управлением обороны, исследований и разработок в области нераспространения ядерного оружия Национальной администрации по ядерной безопасности; программами LDRD Национальных лабораторий Лоренса Беркли и Сандии; Национальным консорциумом по измерениям и анализу сигнатур Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.