Вченим вдалося обдурити час і зловити частинку-примари
Російські вчені-фізики спільно зі своїми американськими колегами зуміли знайти підтвердження майже півстолітнім прогнозам про те, що так звана «частинка-привид» нейтрино взаємодіє зі звичайною речовиною. Було проведено дослідження, яке здатне допомогти в створенні пристрою, що просвічує ядерні реактори, а також дізнатися, які процеси відбуваються всередині наднових.
У 1974 році серед вчених була висловлена теорія про можливості взаємодії якимось невідомим способом нейтрино і речовини. Дані елементарні частинки в мільйони разів легше електрона можуть вільно проходити крізь планети. Періодично відбувається зіткнення з ядрами атомів, і нейтрино вступають у взаємодію з деякими нейтронами і протонами. Але чотири десятиліття тому вчені зробили припущення, що можлива взаємодія між нейтрино і ядром як єдиним цілим. Даний механізм носить назву когерентного розсіювання нейтрино на ядрах. Його запропонували в якості однієї зі складових Стандартної моделі електрослабкої взаємодії, проте до теперішнього часу не підтвердили експериментально.
Електрослабка взаємодія є загальним описом кількох фундаментальних взаємодій - електромагнітного і слабкої. Прийнято вважати, що після досягнення Всесвіту температури близько 1015 кельвінів (а сталося це практично відразу ж після Великого Вибуху), ці взаємодії представляли собою єдине ціле. Слабкі сили, на відміну від електромагнітних, проявляються в значно менших масштабах щодо розміру ядра атома. Вони передбачають бета-розпад ядра, при якому можливе виділення не тільки нейтрино, але і антинейтрино. У той же час, відповідно до теорії електрослабкої взаємодії, виникає не тільки нейтрино, але і його взаємодію з речовиною, матерією.
Теорія говорить, що якщо між нейтрино і ядром за рахунок когерентного розсіювання відбувається процес взаємодії, в такому випадку відбувається виділення енергії, що передається ядру через Z-бозон, який є переносником слабкої взаємодії. Зафіксувати цей процес дуже складно, тому як виділення енергії дуже незначне. Для підвищення ймовірності когерентного розсіювання застосовуються в якості мішеней важкі елементи, зокрема, цезій, йод і ксенон. У той же час, чим важче ядро, тим складніше цю віддачу виявити, що, в свою чергу, також ускладнює ситуацію.
Вчені пропонували для виявлення розсіювання нейтрино застосовувати кріогенних детектори, теоретично здатні фіксувати навіть взаємодія простого речовини і темної матерії. Криогенний детектор є дуже холодної камерою, температура в якій всього лише на соту градуса вище абсолютного нуля, і яка вловлює ту невелику кількість тепла, яке виділяється в процесі реакції ядер з нейтрино. Як субстрат, використовують кристали вольфрамату кальцію або германію крім цього, роль детекторів могли б виконати і надпровідникові пристрої, інертні рідини або модифіковані напівпровідники.
Після проведення необхідних розрахунків дослідники встановили, що ідеальним кандидатом для мішені є йодид цезію з домішками натрію. Саме кристали цієї речовини стали основою для детектора невеликих розмірів (вага його склав всього 14 кілограмів, а розмір - 10х30 сантиметрів). Встановлено був цей детектор на джерелі нейтронів SNS. який знаходиться в американському штаті Теннесі, при Національній лабораторії Ок-Рідж. Детектор помістили в екранований бетоном і залізом тунель приблизно в двох десятках метрів від джерела, який відтворює нейтронні пучки, але в той же час виникає і побічний ефект - нейтрино.
Штучний джерело SNS, на відміну від природних джерел нейтрино, зокрема, земної атмосфери або Сонця, здатний зробити досить великий пучок нейтрино для уловлювання його детектором, проте в той же час досить малий для виникнення когерентного розсіювання. Як відзначають дослідники, детектор і джерело підходили один одному практично ідеально. Молекули йодиду цезію при взаємодії з частинками перетворюються в сцинтилятори (іншими словами, вони переизлучают енергію у вигляді світла). І зареєструвати вдалося саме цей світ. Згідно зі Стандартною моделлю, у взаємодію з кристалом вступили мюонне нейтрино, електронне нейтрино і мюонне антинейтрино.
Дане відкриття має важливе значення. І справа зовсім не в тому, що вчені в черговий раз підтвердили фізичну картину світу, яку описує Стандартна модель. Завдяки когерентного розсіювання вчені сподіваються розробити певні кошти і методики моніторингу ядерних реакторів, які допомогли б бачити крізь стіни, що відбувається всередині. Крім того, когерентне розсіювання відбувається і всередині нейтронних і звичайних зірок, а також в процесі спалахів наднових. Таким чином, це дасть можливість дізнатися більше про їх будову і життя. Вченим відомо, що присутні в надрах наднових нейтрино при вибуху вдаряються об зовнішню оболонку, утворюючи ударну хвилю, що розриває зірку на шматки. За рахунок когерентного розсіювання можна пояснити подібне взаємодія між нейтрино і речовиною зірки, яка вибухає.
Крім цього, в процесі пошуку вімпів - теоретичних частинок темної речовини - дослідники покладаються на фіксування випромінювання, яке виникає від їх зіткнення і атомними ядрами. Його необхідно відрізняти від того фону, який створює когерентне розсіювання нейтрино. За рахунок цього можна поліпшити дані, які можна отримати про темну матерію за допомогою вакуумного та інших детекторів.