Oamenii de știință au reușit să înșele timpul și să prindă o particulă fantomă
Fizicienii ruși împreună cu colegii lor americani au reușit să găsească confirmarea a aproape jumătate de secol de predicții că așa-numita „particulă fantomă” a neutrinilor interacționează cu materia obișnuită. A fost realizat un studiu care poate ajuta la crearea unui dispozitiv care poate vedea prin reactoarele nucleare, precum și să afle ce procese apar în interiorul supernovelor.
În 1974, o teorie a fost exprimată în rândul oamenilor de știință despre posibilitatea interacțiunii într-un mod necunoscut între neutrinos și materie. Aceste particule elementare, de milioane de ori mai ușoare decât un electron, pot trece liber prin planete. Coliziunile cu nucleii atomici apar periodic și neutrinii interacționează cu unii neutroni și protoni. Dar acum patru decenii, oamenii de știință au făcut presupunerea că este posibilă o interacțiune între neutrino și nucleu în ansamblu. Acest mecanism este numit împrăștiere coerentă a neutrinilor pe nuclee. Acesta a fost propus ca unul dintre componentele modelului standard al interacțiunilor electroweak, dar nu a fost confirmat experimental până în prezent.
Interacțiunea electroweak este o descriere generală a mai multor interacțiuni fundamentale - electromagnetice și slabe. În general, se acceptă faptul că, după ce Universul a atins o temperatură de aproximativ 1015 kelvin (și acest lucru s-a întâmplat aproape imediat după Big Bang), aceste interacțiuni au fost un singur întreg. Forțele slabe, spre deosebire de cele electromagnetice, se manifestă la o scară mult mai mică în raport cu dimensiunea nucleului atomic. Acestea asigură o degradare beta a nucleului, în care este posibilă eliberarea nu numai a neutrinilor, ci și a antineutrinilor. În același timp, conform teoriei interacțiunii electroweak, nu numai că apare un neutrino, ci și interacțiunea sa cu materia, materia.
Teoria spune că dacă un proces de interacțiune are loc între neutrino și nucleu datorită împrăștierii coerente, atunci se eliberează energie, care este transferată în nucleu prin bosonul Z, care este purtătorul interacțiunii slabe. Este foarte dificil să remediați acest proces, deoarece eliberarea de energie este foarte nesemnificativă. Pentru a crește probabilitatea de împrăștiere coerentă, elemente grele sunt utilizate ca ținte, în special, cesiu, iod și xenon. În același timp, cu cât miezul este mai greu, cu atât este mai dificil să detectăm această recul, ceea ce, la rândul său, complică și situația.
Oamenii de știință și-au propus să folosească detectoare criogenice pentru a detecta împrăștierea neutrinilor, în mod teoretic capabili să înregistreze chiar și interacțiunea materiei simple și a materiei întunecate. Un detector criogenic este o cameră foarte rece, cu o temperatură de doar o sutime de grad peste zero absolut și care captează cantitatea mică de căldură care este eliberată în timpul reacției nucleelor cu neutrină. Ca substrat se folosesc cristale de calciu sau tungstat de germaniu, în plus, dispozitivele supraconductoare, lichide inerte sau semiconductori modificați pot juca și rolul detectoarelor.
După efectuarea calculelor necesare, cercetătorii au descoperit că candidatul ideal pentru țintă este iodura de cesiu cu impurități de sodiu. Cristalele acestei substanțe au devenit baza micului detector (greutatea sa a fost de doar 14 kilograme, iar dimensiunea a fost de 10x30 centimetri). Acest detector a fost instalat la sursa de neutroni SNS, situată în statul american Tennessee, la Laboratorul Național Oak Ridge. Detectorul a fost plasat într-un tunel ecranat cu beton și fier, la aproximativ două duzini de metri de sursă, care reproduce fascicule de neutroni, dar în același timp există un efect secundar - neutrinii.
O sursă artificială de SNS, spre deosebire de sursele naturale de neutrini, în special, de atmosfera Pământului sau de Soare, este capabilă să producă un fascicul de neutrino suficient de mare pentru a fi capturat de un detector, dar în același timp suficient de mic pentru apariția împrăștierii coerente. După cum observă cercetătorii, detectorul și sursa se potrivesc aproape perfect. Moleculele de iodură de cesiu, atunci când interacționează cu particulele, sunt transformate în scintilatori (cu alte cuvinte, re-emit energie sub formă de lumină). Și această lumină a fost înregistrată. Conform modelului standard, un neutrin muonic, un neutrin electron și un antineutrino muonic au intrat în interacțiune cu cristalul.
Video promotional:
Această descoperire este importantă. Iar ideea nu este deloc aceea că oamenii de știință au confirmat din nou imaginea fizică a lumii, pe care o descrie Modelul Standard. Prin împrăștiere coerentă, oamenii de știință speră să dezvolte instrumente și tehnici specifice de monitorizare a reactoarelor nucleare pentru a ajuta la a vedea prin pereți ce se întâmplă în interior. În plus, împrăștierea coerentă are loc în interiorul neutronelor și stelelor obișnuite, precum și în timpul exploziilor de supernove. Astfel, va oferi o oportunitate de a afla mai multe despre structura și viața lor. Oamenii de știință știu că neutrinii prezenți în intestinele supernovelor au lovit învelișul exterior în timpul exploziei, formând o undă de șoc care rupe steaua în bucăți. Datorită împrăștierii coerente, poate fi explicată o interacțiune similară între neutrini și materia stelei care explodează.
În plus, în căutarea WIMP-urilor - particule teoretice de materie întunecată - cercetătorii se bazează pe detectarea radiațiilor care rezultă din coliziunea și nucleele lor atomice. Trebuie să se distingă de fundalul care creează împrăștierea coerentă a neutrinilor. Acest lucru poate îmbunătăți datele care pot fi obținute despre materia întunecată folosind criogene și alți detectori.
