Miniaturní detektor neutrinů zachycuje nepolapitelné částice v jaderném reaktoru

Miniaturní detektor neutrinu slibuje testování fyzikálních zákonů

Podle Davide Castelvecchi A Přírodní časopis

Fyzici chytili Neutrina z jaderného reaktoru pomocí zařízení vážícího jen několik kilogramů, řádově méně masivní než Standardní detektory neutrino. Tato technika otevírá nové způsoby stresu test známých fyzikálních zákonů a detekce hojných neutrin produkovaných v srdcích kolapsů hvězd.

„Nakonec to udělali,“ říká Kate Scholbergová, fyzická na Duke University v Durhamu v Severní Karolíně. „A mají velmi krásný výsledek.“ Experiment, nazývaný conus+je popsán 30. července v Příroda.

Náročný lom

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Neutrina jsou základní částice, které nemají elektrický náboj a obecně neinteragují s jinými hmotami, což je činí mimořádně obtížné detekovat. Většina neutrinových experimentů zachycuje tyto nepolapitelné částice pozorováním záblesků světla, které jsou generovány, když se neutrino srazí s elektronem, protonem nebo neutronem. Tyto srážky se vyskytují extrémně zřídka, takže takové detektory mají obvykle hmoty tun nebo tisíce tun, aby poskytovaly dostatek cílového materiálu pro shromažďování neutrin v relevantním počtu.

Scholberg a její spolupracovníci Nejprve předvedla techniku mini-detektoru v roce 2017jeho používání k zachycení neutrin produkovaných Accelerator v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee. Částice dubového hřebene mají o něco vyšší energie než ty, které jsou vyrobeny v reaktorech. Výsledkem bylo, že detekce neutrin reaktoru byla ještě náročnější, říká. Neutrina s nižší energií však také umožňují přesnější test standardního modelu fyziky.

Koherentní detektor Scholbergu byl první, kdo využil jev zvaný koherentní rozptyl, ve kterém neutrino „rozptyluje“ z celého atomového jádra spíše než částice atomu.

Koherentní rozptyl používá skutečnost, že částice hmoty mohou působit jako vlny – a čím nižší je energie částic, tím déle jejich vlnová délka, říká Christian Buck, vůdce spolupráce CONUS. Pokud je vlnová délka neutrina podobná průměru jádra, „pak neutrino vidí jádro jako jednu věc. Nevidí vnitřní strukturu“, říká Buck, který je fyzikem v Max Planck Institute pro jadernou fyziku v Heidelbergu v Německu. Neutrino ne interaguje s žádnými subatomickými částicemi, ale způsobuje, že se jádro rekopuje – ukládá malé množství energie do detektoru.

Chytit pohled na jádro

Koherentní rozptyl se vyskytuje více než 100krát často jako interakce použité v jiných detektorech, kde neutrino „vidí“ jádro jako sbírku menších částic s prázdným prostorem mezi nimi. Tato vyšší účinnost znamená, že detektory mohou být menší a ve stejném časovém rámci mohou být stále vidět podobný počet částic. „Nyní si můžete dovolit stavět detektory v měřítku kilogramu,“ říká Buck.

Nevýhodou je, že neutrina ukládá mnohem méně energie v jádru. Rekoláč vyvolaný na jádru neutrinem je srovnatelný s hřištěm vyrobeným na lodi ping-pongovým míčem, říká Buck-a až do posledních let bylo velmi náročné měřit.

Detektor CONUS je vyroben ze čtyř modulů čistého germania, z nichž každý váží 1 kilogram. Provozoval v jaderném reaktoru v Německu od roku 2018, dokud nebyl v roce 2022 zastaven tento reaktor. Tým poté přesunul detektor a upgradoval na Conus+na jadernou elektrárnu Leibstadt ve Švýcarsku. Z nového umístění tým nyní hlásí, že za 119 dnů provozu zaznamenal přibližně 395 kolizních událostí – v souladu s předpovědi standardního modelu fyziky částic.

Po výsledku Coherent’s Landmark 2017, který byl získán s detektory vyrobenými z jodidu cesia, Scholbergův tým opakoval výkon s detektory Vyrobeno z argonu a z germania. Samostatně, v loňském roce, dva experimenty Původně navržený tak, aby lovil temnou hmotu, hlásil, že náznaky nízké energie souvislý rozptyl neutrin produkovaných sluncem. Scholberg říká, že standardní model dělá velmi čisté předpovědi rychlosti koherentního rozptylu a jak se mění s různými typy atomového jádra, což je zásadní porovnat výsledky z co nejvíce detekčních materiálů. A pokud se citlivost techniky dále zlepšuje, koherentní rozptyl by mohl pomoci posunout dopředu stav umění solární vědy.

Vědci tvrdí, že koherentní rozptyl pravděpodobně nebude zcela nahradit žádné existující technologie pro detekci neutrin. Ale může spatřit všechny tři známé typy neutrina (a jejich odpovídající antičástice) až na nízké energie, zatímco některé jiné techniky mohou zachytit pouze jeden typ. Tato schopnost znamená, že by mohla doplnit masivní detektory, jejichž cílem je vyzvednout neutrina při vyšších energiích, jako je například Hyper-troikonde Observatoř nyní ve výstavbě v Japonsku.

Tento článek je reprodukován se svolením a byl poprvé publikováno 30. července 2025.