Neutrinos sind eines der grundlegenden Teilchen, aus denen das Universum besteht. Im Vergleich zu anderen Arten von Partikeln haben sie sehr wenig Masse, keine Ladung und interagieren nur über die schwache Kernkraft und Schwerkraft mit anderen. Daher ist es äußerst schwierig, Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen Erben zu finden, da massive Instrumente tief unter der Erde erforderlich sind, um sie vor Störungen zu schützen.
Unter Verwendung der Spallation Neutron Source (SNS), einer Forschungseinrichtung im Oak Ridge National Laboratory (ORNL), hat ein internationales Forscherteam kürzlich eine historische Entdeckung über Neutrinos mit einer völlig anderen Methode gemacht. Im Rahmen des COHERENT-Experiments bestätigen diese Ergebnisse eine vor 43 Jahren gemachte Vorhersage und bieten neue Möglichkeiten für die Neutrinoforschung.
Die Studie mit dem Titel „Beobachtung der kohärenten elastischen Neutrino-Kern-Streuung“, die ihre Ergebnisse detailliert beschreibt, wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft. Die Forschung wurde im Rahmen des COHERENT-Experiments durchgeführt, einer Zusammenarbeit von 80 Forschern aus 19 Institutionen aus mehr als 4 Nationen, die seit über einem Jahr nach der sogenannten kohärenten elastischen Neutrino-Nucleus-Streuung (CEvNS) suchen.
COHERENT hat im Wesentlichen Geschichte geschrieben, um Beweise für dieses Verhalten zu finden. Wie Jason Newby, ORNL-Physiker und technischer Koordinator von COHERENT, in einer ORNL-Pressemitteilung sagte:
"Das einzigartige Teilchenphysik-Experiment am Oak Ridge National Laboratory war das erste, bei dem die kohärente Streuung von niederenergetischen Neutrinos an Kernen gemessen wurde."
Das Standardmodell der Teilchenphysik zeigt, dass Neutrinos Leptonen sind, ein Teilchen, das sehr schwach mit anderer Materie interagiert. Sie entstehen durch radioaktiven Zerfall, die Kernreaktionen, die Sterne antreiben, und durch Supernovae. Das Urknallmodell der Kosmologie sagt auch voraus, dass Neutrinos die am häufigsten vorkommenden Teilchen sind, da sie ein Nebenprodukt der Erschaffung des Universums sind.
Als solches war ihre Studie ein Hauptschwerpunkt für theoretische Physiker und Kosmologen. In früheren Studien wurden Neutrino-Wechselwirkungen nachgewiesen, indem buchstäblich Tonnen Zielmaterial verwendet und anschließend die Partikelumwandlungen untersucht wurden, die sich aus dem Auftreffen von Neutrinos ergaben.
Beispiele hierfür sind das Super-Kamiokande-Observatorium in Japan, eine unterirdische Anlage, in der das Zielmaterial 50.000 Tonnen hochreines Wasser ist. Im Fall des Sudbury Neutrino Observatory von SNOLAB, das sich in einem ehemaligen Minenkomplex in der Nähe von Sudbury, Ontario, befindet, ist der SNO-Neutrino-Detektor für die Neutrino-Detektion auf schweres Wasser angewiesen, während für das SNO + -Experiment ein Flüssigszintillator verwendet wird.
Das IceCube Neutrino Observatory - der größte Neutrino-Detektor der Welt an der Südpolstation Amundsen-Scott in der Antarktis - ist auf antarktisches Eis angewiesen, um Neutrino-Wechselwirkungen zu erkennen. In allen Fällen sind die Einrichtungen extrem isoliert und basieren auf einer sehr teuren Ausrüstung.
Das COHERENT-Experiment ist jedoch im Vergleich dazu immens kleiner und wirtschaftlicher. Es wiegt nur 14,5 kg und nimmt viel weniger Platz ein. Das Experiment wurde entwickelt, um das vorhandene SNS-Beschleuniger-basierte System zu nutzen, das die intensivsten gepulsten Neutronenstrahlen der Welt erzeugt, um Quecksilberatome mit Protonenstrahlen zu zerschlagen.
Dieser Prozess erzeugt riesige Mengen an Neutronen, die für verschiedene wissenschaftliche Experimente verwendet werden. Das Verfahren erzeugt jedoch auch eine signifikante Menge an Neutrinos als Nebenprodukt. Um dies zu nutzen, begann das COHERENT-Team mit der Entwicklung eines Neutrino-Experiments, das als „Neutrino-Gasse“ bekannt ist. Die dicken Betonwände und der Kies befinden sich in einem Kellerkorridor, nur 20 Meter vom Quecksilbertank entfernt, und bieten eine natürliche Abschirmung.
Der Korridor ist außerdem mit großen Wassertanks ausgestattet, um zusätzliche Neutrinos, kosmische Strahlen und andere Partikel auszublenden. Im Gegensatz zu anderen Experimenten suchen die COHERENT-Detektoren nach Anzeichen von Neutrinos, die gegen die Kerne anderer Atome stoßen. Zu diesem Zweck stattete das Team den Korridor mit Detektoren aus, die auf einem Cäsiumiodid-Szintillatorkristall basieren, der auch Odium verwendet, um die Bedeutung von Lichtsignalen zu erhöhen, die durch Neutrino-Wechselwirkungen verursacht werden.
Juan Collar, ein Physiker von der University of Chicago, leitete das Designteam, das den bei SNS verwendeten Detektor entwickelte. Wie er erklärte, war dies ein "Back-to-Basics" -Ansatz, der teurere und massivere Detektoren überflüssig machte:
„Sie sind wohl die fußgängerfreundlichste Art von Strahlungsdetektor, die es seit einem Jahrhundert gibt. Mit Natrium dotiertes Cäsiumiodid vereint alle Eigenschaften, die erforderlich sind, um als kleiner, handgehaltener kohärenter Neutrino-Detektor zu arbeiten. Sehr oft ist weniger mehr. “
Dank ihres Experiments und der Raffinesse des SNS konnten die Forscher feststellen, dass Neutrinos durch den Austausch neutraler Z-Bosonen an Quarks koppeln können. Dieser Prozess, der als kohärente elastische Neutrino-Nucleus-Streuung (CEvNS) bekannt ist, wurde erstmals 1973 vorhergesagt. Bisher konnte jedoch kein Experiment oder Forschungsteam dies bestätigen.
Wie Jason Newby angedeutet hat, war das Experiment zum großen Teil dank der Raffinesse der bestehenden Anlage erfolgreich. "Die Energie der SNS-Neutrinos ist für dieses Experiment nahezu perfekt abgestimmt - groß genug, um ein nachweisbares Signal zu erzeugen, aber klein genug, um die Kohärenzbedingung auszunutzen", sagte er. "Die einzige rauchende Waffe der Interaktion ist eine kleine Menge Energie, die einem einzelnen Kern verliehen wird."
Die Daten, die es erzeugte, waren auch sauberer als bei früheren Experimenten, da die Neutrinos (wie der SNS-Neutronenstrahl, der sie erzeugte) ebenfalls gepulst waren. Dies ermöglichte die einfache Trennung des Signals von Hintergrundsignalen, was einen Vorteil gegenüber stationären Neutrinoquellen bot - wie sie beispielsweise von Kernreaktoren erzeugt werden.
Das Team entdeckte auch drei „Aromen“ von Neutrinos, darunter Myon-Neutrinos, Myon-Antineutrinos und Elektronenneutrinos. Während die Myonenneutrinos augenblicklich auftauchten, wurden die anderen wenige Mikrosekunden später nachgewiesen. Daraus validierte das COHERENT-Team nicht nur die Theorie von CEvNS, sondern auch das Standardmodell der Teilchenphysik. Ihre Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die Astrophysik und Kosmologie.
Kate Scholberg, Physikerin an der Duke University und Sprecherin von COHERENT, erklärte:
„Wenn ein massereicher Stern zusammenbricht und dann explodiert, geben die Neutrinos enorme Energie in die Sternhülle ab. Das Verständnis des Prozesses trägt zum Verständnis des Auftretens dieser dramatischen Ereignisse bei. Die Daten von COHERENT helfen bei der Interpretation von Messungen der Neutrinoeigenschaften durch Experimente weltweit. Möglicherweise können wir auch kohärente Streuung verwenden, um die Struktur des Kerns besser zu verstehen. “
Während keine weitere Bestätigung ihrer Ergebnisse erforderlich ist, planen die COHERENT-Forscher, zusätzliche Messungen durchzuführen, um kohärente Neutrino-Wechselwirkungen mit unterschiedlichen Raten zu beobachten (eine weitere Signatur des Prozesses). Auf dieser Grundlage hoffen sie, ihr Wissen über die Natur von CEvNS sowie über andere grundlegende Neutrinoeigenschaften - wie ihren intrinsischen Magnetismus - zu erweitern.
Diese Entdeckung war an sich schon beeindruckend, da sie einen Aspekt sowohl des Standardmodells der Teilchenphysik als auch der Urknallkosmologie bestätigt. Die Tatsache, dass die Methode sauberere Ergebnisse liefert und sich auf Instrumente stützt, die wesentlich kleiner und kostengünstiger als andere Experimente sind - das ist sehr beeindruckend!
Die Implikationen dieser Forschung werden sicherlich weitreichend sein, und es wird interessant sein zu sehen, welche anderen Entdeckungen sie in Zukunft ermöglicht!
