Миниатюрный детектор нейтрино обещает проверить законы физики

Нейтрино из ядерного реактора уловлены методом, известным как когерентное рассеяние.

Физики поймали нейтрино из ядерного реактора с помощью устройства весом всего несколько килограммов, на порядок менее массивных, чем стандартные детекторы нейтрино. Эта техника открывает новые способы стресс-тестирования известных законов физики и обнаружения обильных нейтрино, образующихся в сердцах разрушающихся звезд.

"Они наконец-то сделали это", - говорит Кейт Шолберг, физик из Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина. «И у них очень красивый результат». Эксперимент под названием CONUS+ описан 30 июля.

Сложный карьер

Нейтрино - это элементарные частицы, которые не имеют электрического заряда и, как правило, не взаимодействуют с другими веществами, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. Большинство экспериментов с нейтрино улавливают эти неуловимые частицы, наблюдая за вспышками света, которые генерируются, когда нейтрино сталкивается с электроном, протоном или нейтроном. Эти столкновения происходят крайне редко, поэтому такие детекторы, как правило, имеют массу тонн или тысячи тонн, чтобы обеспечить достаточное количество целевого материала для сбора нейтрино в соответствующих количествах.

Шольберг и ее сотрудники впервые продемонстрировали технику мини-детектора в 2017 году, используя ее для ловли нейтрино, произведенных ускорителем в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси. Частицы Oak Ridge имеют немного более высокую энергию, чем те, которые были произведены в реакторах. В результате обнаружение реакторных нейтрино было еще более сложным, говорит она. Но низкоэнергетические нейтрино также позволяют более точно проверить стандартную модель физики.

КОГЕРЕНТНЫЙ детектор Шольберга был первым, кто использовал явление, называемое когерентным рассеянием, при котором нейтрино «рассеивает» все атомное ядро, а не составляющие частицы атома.

Когерентное рассеяние использует тот факт, что частицы материи могут действовать как волны - и чем ниже энергия частиц, тем длиннее их длина волны, говорит Кристиан Бак, лидер сотрудничества CONUS. Если длина волны нейтрино похожа на диаметр ядра, «тогда нейтрино видит ядро как одно. Он не видит внутреннюю структуру», - говорит Бак, который является физиком Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Нейтрино не взаимодействует с какими-либо субатомными частицами, но вызывает отдачу ядра, откладывая крошечное количество энергии в детектор.

Вид на ядро

Когерентное рассеяние происходит более чем в 100 раз чаще, чем взаимодействия, используемые в других детекторах, где нейтрино «видит» ядро как совокупнок более мелких частиц с пустым пространством между ними. Эта более высокая эффективность означает, что детекторы могут быть меньше и все еще замечать такое же количество частиц в один и тот же период времени. "Теперь вы можете позволить себе построить детекторы на килограммовой шкале", - говорит Бак.

Недостатком является то, что нейтрино откладывают гораздо меньше энергии в ядро. По словам Бака, отдача, вызванная на ядре нейтрино, сопоставима с отдачей, производимой на корабле мячом для пинг-понга, и до последних лет было чрезвычайно сложно измерить.

Детектор CONUS состоит из четырех модулей чистого германия, каждый весом 1 килограмм. Он работал на ядерном реакторе в Германии с 2018 года до закрытия реактора в 2022 году. Затем команда переместила детектор, Модернизирован до CONUS+, до атомной электростанции Лейбштадт в Швейцарии. Из нового местоположения команда теперь сообщает, что за 119 дней работы наблюдала около 395 столкновений — в соответствии с прогнозами стандартной модели физики частиц.

После знакового результата COHERENT 2017 года, который был получен с помощью детекторов, изготовленных из йодида цезия, команда Шольберга повторила подвиг с помощью детекторов, изготовленных из аргона и германия. Отдельно, в прошлом году, два эксперимента, первоначально разработанных для охоты за темной материей, сообщили о намеках на низкоэнергетическое когерентное рассеяние нейтрино, производимых Солнцем. Шолберг говорит, что стандартная модель делает очень чистые прогнозы скорости когерентного рассеяния и того, как она меняется с различными типами атомных ядер, что делает крайне важным сравнение результатов из как можно большего количества обнаруживающих материалов. И если чувствительность техники еще больше улучшится, когерентное рассеяние может помочь продвинуть состояние искусства солнечной науки.

Исследователи говорят, что когерентное рассеяние, вероятно, не полностью заменит какие-либо существующие технологии обнаружения нейтрино. Но он может обнаружить все три известных типа нейтрино (и соответствующие им античастицы) до низких энергий, в то время как некоторые другие методы могут улавливать только один тип. Эта способность означает, что она может дополнять массивные детекторы, которые направлены на улавливание нейтрино на более высоких энергиях, такие как обсерватория Гипер-Камиоканде, которая в настоящее время строится в Японии.