Maailman pienin neutrino-ilmaisin havaitsee hiukkasten välttämätöntä vuorovaikutusta

Sealand - Maailman Pienin Valtio Keskellä Merta? (Heinäkuu 2019).

Anonim

Vuonna 1974 Fermilab-fyysikko ennusti uuden tavan aivotonta hiukkasia, joita kutsutaan neutriinoiksi, vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Yli neljä vuosikymmentä myöhemmin UChicagon johtama fyysikko pystyi rakentamaan maailman pienimmän neutrino-ilmaisimen, joka havaitsi vaikean vuorovaikutuksen ensimmäistä kertaa.

Neutriinit ovat haaste tutkimukseen, koska niiden vuorovaikutus aineen kanssa on niin harvinaista. Erityisen vaikeasti havaittavissa on ollut ns. Koherentti elastinen neutrino-ydin-sironta, joka tapahtuu, kun neutriini kourattaa pois atomin ytimen.

Kansainvälinen COHERENT Collaboration, joka sisältää fyysikot UChicagon, havaitsi sirontaprosessin käyttämällä pienen ja kevyen ilmaisimen, jota reseacher tarvitsee tehdä. Heidän löydöistään, jotka vahvistavat Fermilabin Daniel Freedmanin teorian, raportoitiin 3. elokuuta Science- lehdessä.

"Miksi 43 vuoden seuranta tapahtui tämän vuorovaikutuksen seuraamiseksi?" kysyi ko. kirjailija Juan Collar, UChicagon fysiikan professori. "Se mitä tapahtuu, on erittäin hienovarainen." Freedman ei nähnyt suurta mahdollisuutta kokeelliseen vahvistamiseen, kirjoittaessaan tuolloin: "Ehdotuksemme voi olla hirviö, koska vuorovaikutusnopeuden, päätöslauselman ja taustan väistämättömät rajoitteet aiheuttavat vakavia kokeellisia vaikeuksia."

Kun neutrino kumpuilee atomin ytimeen, se luo pienen, tuskin mitattavissa olevan kelauksen. Detektorin tekeminen raskaista elementeistä, kuten jodi, cesium tai ksenon, kasvattaa dramaattisesti todennäköisyyttä uudelle neutrinointivaihtoehdolle verrattuna muihin prosesseihin. Mutta on olemassa kompromissi, koska pienet ydinvoimat, joita tulosta vaikeutetaan havaitsemaan, kun ydin kasvaa raskaammaksi.

"Kuvittele, että neutriinit ovat ping-pong-palloja, jotka tekevät keilapallon. He antavat vain pienen ylimääräisen vauhdin tähän keilapalloon", Collar sanoi.

Jotta tämä pieni tuhkaus havaittiin, Collar ja kollegat tajusi, että natriumin kanssa seostettu cesiumjodidikide oli täydellinen materiaali. Tutkija johti tutkijoiden irrottautumaan neutrinointitutkimuksissa esiintyviin raskas, jättimäisiin ilmaisimiin, jotka olivat samanlaisia ​​kuin leivänpaahdin.

Ei jättiläismäistä laboratoriota

Tiedon tulosten tuottama 4 tuuman 13 tuuman tunnistin painaa vain 32 kiloa (14, 5 kiloa). Vertailussa maailman tunnetuimpia neutrino-observatorioita on varustettu tuhansilla tonnilla ilmaisimateriaalia.

"Sinun ei tarvitse rakentaa jättimäistä laboratoriota sen ympärille", sanoi UChicagon tohtoriopiskelija Bjorn Scholz, jonka opinnäytetyö sisältää tieteellisessä artikkelissa esitetyn tuloksen. "Voimme nyt harkita muiden pienten ilmaisimien rakentamista, joita voidaan käyttää esimerkiksi ydinvoimalaitosten neutriinivirtauksen seuraamiseen. Sinä vain laitat mukavan pienen ilmaisimen ulkopuolelle ja voit mitata sen paikan päällä."

Neutrino-fyysikot ovat puolestaan ​​kiinnostuneita käyttämään tekniikkaa ymmärtämään paremmin salaperäisen partikkelin ominaisuuksia.

"Neutriinit ovat yksi salaperäisimmistä hiukkasista", Collar sanoi. "Me emme tiedä, että heillä on massaa, mutta emme tiedä tarkkaan, kuinka paljon."

Mittaamalla koherenttia elastista neutrino-ydin hajotusta fyysikot toivovat vastaavan tällaisiin kysymyksiin. COHERENT Collaborationin tiedepaperit asettavat esimerkiksi rajoituksia uusille tyypille neut- rinino-kvark-vuorovaikutusta, joita on ehdotettu.

Tuloksilla on myös vaikutuksia haavoittuvasti vuorovaikutteisiin massaspektroksiin. WIMP: t ovat ehdokashiukkasia pimeässä aineessa, joka on näkymättömiä materiaaleja, joiden tuntematon koostumus on 85 prosenttia maailmankaikkeuden massasta.

"Mitä olemme havainneet neutriinien kanssa, on sama prosessi, jota odotetaan olevan kaikissa WIMP-ilmaisimissa, joita olemme rakentaneet", Collar sanoi.

Neutrino-kuja

COHERENT Collaboration, johon kuuluu 90 tutkijaa 18 laitoksessa, on etsinyt koherenttia neutriinisirontaa Spallation Neutron -lähteellä Oak Ridge National Laboratoryissa Tennesseessä. Tutkijat asensivat ilmaisimet kellarikäytävään, joka tunnettiin nimellä "neutrino-kuja". Tämä käytävä on hyvin suojattu raudan ja betonin avulla erittäin radioaktiivisella neutronisädealueella, vain 20 metriä (alle 25 metriä).

Tämä neutrino-kuja ratkaisi merkittävän ongelman neutriinien havaitsemiseksi: se peittää lähes kaikki neutronien muodostamat neutronit, mutta neutriinit voivat silti saavuttaa ilmaisimet. Tämä antaa tutkijoille helpommin nähdä neutriinien vuorovaikutusta. Muualla ne hukuttaisivat helposti näkyvämpiä neutronituntumia.

Spallation Neutron Source tuottaa maailman voimakkaimmat pulssitut neutronisäteilyt tieteelliseen tutkimukseen ja teolliseen kehitykseen. Neutronien tuottamisprosessissa SNS tuottaa myös neutriinoja, vaikkakin pienemmissä määrissä.

"Voit käyttää kehittyneempää neutrino-ilmaisinta, mutta ei oikeaa neutrino-lähdettä, etkä näe tätä prosessia", Collar sanoi. "Se oli ihanteellinen lähde ja ihanteellinen ilmaisin, joka teki kokeilun."

Kaksi Collarin entisestä jatko-opiskelijasta ovat tiedepaperin kirjoittajia: Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, nyt Duke-yliopiston fysiikan apulaisprofessori; ja Nicole Fields, PhD'15, nyt terveysfysiikan USA: n ydinenerilaisen sääntelykomission Chicagossa.

Pienen neutrino-ilmaisimen kehittäminen tuo mukanaan ajatuksen siitä, että UChicago alumnus Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, ehdotti vuonna 1984. Stodolsky ja Andrzej Drukier, molemmat Max Planckin fysiikan ja astrofysiikan laitoksesta Saksassa, totesivat, että yhtenäinen ilmaisin olisi suhteellisen pieni ja kompakti, toisin kuin tavallisimmat neutrinoilmaisimet, jotka sisälsivät tuhansia gallonaa vettä tai nestesentilaatiota. Heidän työstään ennustivat tulevien neutrino-teknologioiden tulevan mahdolliseksi ilmaisimien pienentämisellä.

Scholz, UChicagon jatko-opiskelija, tervehtii tiedemiehiä, jotka ovat työskennelleet vuosikymmeniä luomaan teknologiaa, joka huipentui koherentin neutrino-sironnan havaitsemiseen.

"En voi ymmärtää, miten heidän täytyy tuntea nyt, että se on vihdoin havaittu, ja he ovat saavuttaneet yhden elämän tavoitteistaan", Scholz sanoi. "Olen tullut kilpailun lopussa. Meidän on ehdottomasti luotava kaikki valtava työ, jonka ihmiset ovat tehneet ennen meitä."

menu
menu