Neutrini văzuți împrăștiindu-se de pe nucleul unui atom pentru prima dată

Particule celebre ascunse au fost surprinse comportându-se într-un mod nou.

Pentru prima dată, oamenii de știință au detectat neutrini care se împrăștie din nucleul unui atom. Procesul, prezis cu mai bine de patru decenii în urmă, oferă o nouă modalitate de a testa fizica fundamentală. De asemenea, va ajuta oamenii de știință să caracterizeze mai bine neutrinul, o particulă neadaptată care are o masă mică și interacționează atât de slab cu materia încât poate naviga cu ușurință prin întregul Pământ.

Detectarea, raportată online pe 3 august în Ştiinţă, „are implicații foarte mari”, spune fizicianul Janet Conrad de la MIT, care nu a fost implicat în cercetare. Acesta completează o parte lipsă din modelul standard, teoria care explică modul în care se comportă particulele: modelul prezice că neutrinii interacționează cu nucleele. Și, spune Conrad, descoperirea „deschide o zonă cu totul nouă de măsurători” pentru a testa în continuare predicțiile modelului standard.

Oamenii de știință depistează de obicei neutrinii atunci când interacționează cu un singur proton sau neutron. Dar noul studiu măsoară împrăștierea „coerentă”, în care un neutrin cu energie scăzută interacționează cu un întreg nucleu atomic simultan, ricoșând și determinând nucleul să se retragă ușor ca răspuns.

„Este incitant să o măsori pentru prima dată”, spune fizicianul Kate Scholberg de la Universitatea Duke, purtătorul de cuvânt al colaborării – numită COHERENT – care a făcut noua descoperire.

În trecut, vânătorii de neutrini au construit detectoare enorme pentru a-și spori șansele de a observa particulele – o necesitate deoarece particulele îndepărtate interacționează atât de rar. Deși încă rară, împrăștierea coerentă a neutrinilor apare mai des decât tipurile de interacțiuni ale neutrinilor detectate anterior. Aceasta înseamnă că detectoarele pot fi mai mici și pot captura suficiente interacțiuni pentru a detecta procesul. Detectorul lui COHERENT, un cristal de cesiu și iod, cântărește doar aproximativ 15 kilograme. „Este primul detector portabil de neutrini; o poți pur și simplu să-l purtați în jur”, spune fizicianul Juan Collar de la Universitatea din Chicago.

Collar, Scholberg și colegii și-au instalat detectorul la Sursa de Neutroni Spallation de la Laboratorul Național Oak Ridge din Tennessee. Instalația generează explozii de neutroni și, ca produs secundar, produce neutrini la energii pe care detectorul lui COHERENT le poate detecta. Când un nucleu din cristal se retrage din cauza unui neutrin care se împrăștie, apare un fulger de lumină și este captat de un senzor de lumină. Semnalul nucleului care se retrage este incredibil de subtil – precum detectarea mișcării unei mingi de bowling atunci când este lovită de o minge de ping-pong – motiv pentru care efectul a rămas nedetectat până acum.

Cantitatea de împrăștiere pe care cercetătorii au văzut-o a fost de acord cu modelul standard. Dar astfel de teste sunt încă în stadii incipiente, spune fizicianul Leo Stodolsky de la Institutul de Fizică Max Planck din München, care nu a fost implicat în cercetare. „Așteptăm cu nerăbdare studii mai detaliate pentru a vedea dacă într-adevăr este în concordanță cu așteptările.” Fizicienii speră să găsească un loc în care modelul standard se defectează, care ar putea dezvălui noi secrete ale universului. Testele mai precise pot dezvălui discrepanțe, spune el. „Ar fi extrem de interesant.”

Măsurarea împrăștierii coerente a neutrinilor ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă procesele care au loc în stelele care explodează sau supernove, care emit un număr mare de neutrini (SN: 18.02.17, str. 24). Procesul ar putea fi folosit și pentru a detecta supernove – dacă o supernovă explodează în apropiere, oamenii de știință ar putea observa neutrinii ei împrăștiind nucleele din detectoarele lor.

O împrăștiere similară ar putea ajuta, de asemenea, oamenii de știință să detecteze materia întunecată, o sursă invizibilă de masă care pătrunde în univers. Particulele de materie întunecată s-ar putea împrăștia din nucleele atomice la fel cum fac neutrinii, provocând un recul. Studiul indică faptul că astfel de recul sunt detectabile – o veste bună, deoarece mai multe experimente cu materia întunecată încearcă în prezent să măsoare recul nucleelor ​​(SN: 11/12/16, str. 14). Dar sugerează, de asemenea, o problemă care se profilează: pe măsură ce detectorii de materie întunecată devin mai sensibili, neutrinii care ies de pe nuclee vor acoperi orice semn de materie întunecată.

Detectoarele coerente de împrăștiere a neutrinilor ar putea duce și la aplicații practice: detectoarele de neutrini la scară mică ar putea detecta în cele din urmă neutrini produși în reactoarele nucleare pentru a monitoriza încercările de a dezvolta arme nucleare, de exemplu.

Fizicianul Daniel Freedman de la MIT, care a prezis în 1974 că neutrinii vor împrăștia nucleele, este mulțumit că predicția sa a fost în sfârșit confirmată. „Este un fior.”