Vedcom sa podarilo oklamať čas a chytiť duchovnú časticu
Ruskí fyzici spolu so svojimi americkými kolegami dokázali nájsť potvrdenie takmer polstoročia predpovedí, že takzvaná „duchová častica“neutrína interaguje s bežnou hmotou. Uskutočnila sa štúdia, ktorá môže pomôcť vytvoriť zariadenie, ktoré môže vidieť cez jadrové reaktory, ako aj zistiť, aké procesy sa vyskytujú vo vnútri supernov.
V roku 1974 bola medzi vedcami vyjadrená teória o možnosti neznámeho spôsobu interakcie medzi neutrínmi a hmotou. Tieto elementárne častice, milióny krát ľahšie ako elektrón, môžu voľne prechádzať planétami. Pravidelne dochádza ku kolíziám s atómovými atómami a neutrína interagujú s niektorými neutrónmi a protónmi. Pred štyridsiatimi rokmi však vedci predpokladali, že je možná interakcia medzi neutrínom a jadrom ako celkom. Tento mechanizmus sa nazýva koherentný neutrínový rozptyl na jadrách. Bol navrhnutý ako jedna zo súčastí štandardného modelu elektroslabých interakcií, ale doteraz nebol experimentálne potvrdený.
Elektroslabá interakcia je všeobecný opis niekoľkých základných interakcií - elektromagnetických a slabých. Všeobecne sa uznáva, že keď vesmír dosiahol teplotu asi 1015 kelvinov (a to sa stalo takmer okamžite po Veľkom tresku), tieto interakcie boli jediným celkom. Slabé sily sa na rozdiel od elektromagnetických prejavujú v oveľa menšej mierke vzhľadom na veľkosť atómového jadra. Zabezpečujú beta rozpad jadra, v ktorom je možné uvoľňovať nielen neutrína, ale aj antineutrína. Zároveň podľa teórie elektroslabej interakcie nevzniká iba neutríno, ale aj jeho interakcia s hmotou, hmotou.
Teória hovorí, že ak dôjde k procesu interakcie medzi neutrinom a jadrom v dôsledku koherentného rozptylu, v tomto prípade dôjde k uvoľneniu energie prenesenej do jadra cez Z-bozón, ktorý je nosičom slabej interakcie. Tento proces je veľmi ťažké vyriešiť, pretože uvoľňovanie energie je veľmi zanedbateľné. Na zvýšenie pravdepodobnosti koherentného rozptylu sa ako cieľ používajú najmä ťažké prvky, najmä cézium, jód a xenón. Zároveň, čím ťažšie je jadro, tým ťažšie je odhaliť túto spätnú väzbu, čo zase komplikuje situáciu.
Vedci navrhli použitie kryogénnych detektorov na detekciu neutrínového rozptylu, ktorý je teoreticky schopný zaznamenať aj interakciu jednoduchej hmoty a tmavej hmoty. Kryogénny detektor je veľmi studená komora s teplotou len stotiny stupňa nad absolútnou nulou, ktorá zachytáva malé množstvo tepla, ktoré sa uvoľňuje pri reakcii jadier s neutrínmi. Ako substrát sa používajú kryštály wolframanu vápenatého alebo germánia, pričom detektory môžu zohrávať úlohu aj supravodivé zariadenia, inertné kvapaliny alebo modifikované polovodiče.
Po vykonaní potrebných výpočtov vedci zistili, že ideálnym kandidátom na cieľ je jodid cézny s nečistotami sodíka. Základom malého detektora sa stali kryštály tejto látky (jej hmotnosť bola iba 14 kilogramov a veľkosť bola 10 x 30 centimetrov). Tento detektor bol nainštalovaný v zdroji neutrónov SNS, ktorý sa nachádza v americkom štáte Tennessee, v národnom laboratóriu Oak Ridge. Detektor bol umiestnený do tunela tieneného betónom a železom, asi dva desiatky metrov od zdroja, ktorý reprodukuje neutrónové lúče, ale súčasne je tu vedľajší účinok - neutrína.
Umelý zdroj SNS, na rozdiel od prírodných zdrojov neutrín, najmä zemskej atmosféry alebo Slnka, je schopný produkovať dostatočne veľký neutrínový lúč, ktorý je možné zachytiť detektorom, ale zároveň dostatočne malý na to, aby spôsobil koherentný rozptyl. Ako vedci poznamenávajú, detektor a zdroj spolu takmer dokonale zapadajú. Molekuly jodidu cézneho sa pri interakcii s časticami premieňajú na scintilátory (inými slovami znova emitujú energiu vo forme svetla). A bolo to svetlo, ktoré bolo zaregistrované. Podľa štandardného modelu vstúpili do interakcie s kryštálom muónové neutrino, elektrónové neutrino a muónové antineutrino.
Propagačné video:
Tento objav je dôležitý. A nejde vôbec o to, že vedci opäť potvrdili fyzický obraz sveta, ktorý opisuje štandardný model. Prostredníctvom koherentného rozptylu vedci dúfajú, že vyvinú konkrétne nástroje a techniky na monitorovanie jadrových reaktorov, ktoré pomôžu vidieť skrz steny, čo sa deje vo vnútri. Okrem toho dochádza k súdržnému rozptylu vnútri neutrónov a obyčajných hviezd, ako aj počas výbuchov supernovy. Poskytne tak príležitosť dozvedieť sa viac o ich štruktúre a živote. Vedci vedia, že neutrína prítomné v útrobách supernov počas výbuchu zasiahli vonkajší obal a vytvorili nárazovú vlnu, ktorá roztrieštila hviezdu na kúsky. V dôsledku koherentného rozptylu je možné vysvetliť podobnú interakciu medzi neutrínmi a hmotou hviezdy, ktorá exploduje.
Pri výskume WIMP - teoretických častíc temnej hmoty - sa výskumníci navyše spoliehajú na detekciu žiarenia, ktoré vzniká z ich kolíznych a atómových jadier. Musí sa odlíšiť od pozadia, ktoré vytvára koherentný neutrínový rozptyl. To môže zlepšiť údaje, ktoré sa dajú získať o tmavej hmote použitím kryogénnych a iných detektorov.