נייטרינו הם אחד החלקיקים הבסיסיים המרכיבים את היקום. בהשוואה לסוגי חלקיקים אחרים, יש להם מעט מאוד מסה, ללא מטען, והם רק מתקשרים עם אחרים באמצעות הכוח הגרעיני והחלל. כיוון שכך, מציאת עדויות לאינטראקציות בין יורשים היא קשה ביותר, דבר המחייב מכשירים מאסיביים הממוקמים עמוק מתחת לפני האדמה כדי להגן עליהם מפני כל הפרעה.
עם זאת, באמצעות ה- Spallation Neutron Source (SNS), מתקן מחקר הממוקם במעבדה הלאומית של אוק רידג '(ORNL) - צוות בינלאומי של חוקרים גילה לאחרונה תגלית היסטורית על נייטרינים בשיטה שונה לחלוטין. כחלק מניסוי ה- COHERENT, תוצאות אלה מאששות תחזית שנעשתה לפני 43 שנה ומציעות אפשרויות חדשות למחקר נייטרינו.
המחקר שמפרט את ממצאיו, שכותרתו "תצפית על פיזור גרעין נויטרינו-אלסטי קוהרנטי", פורסם לאחרונה בכתב העת. מדע. המחקר נערך כחלק מניסוי ה- COHERENT, שיתוף פעולה של 80 חוקרים מ -19 מוסדות מ -4 מדינות נוספות שחיפשו במשך שנה את מה שמכונה Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS).
במציאת עדויות להתנהגות זו, COHERENT למעשה עשה היסטוריה. כפי שאמר ג'ייסון ניובי, פיזיקאי של ORNL והרכז הטכני של COHERENT, בהודעת העיתונות של ORNL:
"ניסוי פיזיקת החלקיקים היחיד במין במעבדה הלאומית של אוק רידג 'היה הראשון למדידת פיזור קוהרנטי של נייטרינים בעלי אנרגיה נמוכה מגרעינים."
כדי לפרק את הכל, המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מצביע על כך שהניוטרינו הם לפטונים, חלקיק האינטראקציה עם חומר אחר בצורה חלשה מאוד. הם נוצרים באמצעות ריקבון רדיואקטיבי, התגובות הגרעיניות שמככבות בכוכבים ומנופאי-על. מודל המפץ הגדול של הקוסמולוגיה מנבא גם כי הנייטרינים הם החלקיקים השופרים ביותר הקיימים, מכיוון שהם תוצר לוואי של בריאת היקום.
ככאלה, המחקר שלהם היווה מוקד מרכזי עבור פיסיקאים וקוסמולוגים תיאורטיים. במחקרים קודמים התגלו אינטראקציות עם נייטרינו בעזרת מילולי טונות של חומר מטרה ואז בחנו את טרנספורמציות החלקיקים שנבעו מכך שנייטרינו פגע בהם.
דוגמאות לכך כוללות את מצפה הכוכבים Super-Kamiokande ביפן, מתקן תת-קרקעי בו חומר המטרה הוא 50,000 טונות של מים אולטרה-גפיים. במקרה של מצפה הכוכבים Sudbury Neutrino של SNOLAB - שנמצא במתחם מוקשים לשעבר בסמוך לסודברי, אונטריו - גלאי הנייטרינו של SNO מסתמך על מים כבדים לגילוי נייטרינו בזמן שבניסוי SNO + ישתמש בסנטילטור נוזלי.
ומצפה הכוכבים IceCube Neutrino - גלאי הנייטרינו הגדול ביותר בעולם, שנמצא בתחנת הקוטב הדרומי אמונדסן-סקוט באנטארקטיקה - מסתמך על קרח אנטארקטי כדי לאתר אינטראקציות בין נייטרינו. בכל המקרים, המתקנים מבודדים ביותר וסומכים על ציוד יקר מאוד.
לעומת זאת, הניסוי של קוהרנט הוא קטן יותר וחסכוני בהרבה בהשוואה, שוקל רק 14.5 ק"ג (32 ק"ג) ותופס הרבה פחות בדרך לחלל. הניסוי נוצר כדי לנצל את המערכת המבוססת על מאיצי SNS הקיימים, המייצרת את קרני הנויטרונים הפועמיים האינטנסיביים ביותר בעולם על מנת לרסק אטומי כספית עם קרני פרוטונים.
תהליך זה יוצר כמויות אדירות של נויטרונים המשמשים לניסויים מדעיים שונים. עם זאת, התהליך יוצר גם כמות משמעותית של נייטרינים כתוצר לוואי. כדי לנצל זאת, צוות ה- COHERENT החל לפתח ניסוי נייטרינו המכונה "סמטת נייטרינו". קירות הבטון העבותים והחצץ ממוקמים במסדרון מרתף במרחק 20 מטרים בלבד ממיכל הכספית ומספקים מגן טבעי.
המסדרון מצויד גם במיכלי מים גדולים לחסימת נייטרינים נוספים, קרניים קוסמיות וחלקיקים אחרים. אך בניגוד לניסויים אחרים, גלאי ה- COHERENT מחפשים סימנים של נייטרינים המתנגשים בגרעינים של אטומים אחרים. לשם כך הצוות הציג את המסדרון בגלאים המסתמכים על גבי גביש סינטילטור צזיום יוד, שמשתמש גם באודיום כדי להגביר את הבולטות של אותות אור הנגרמים כתוצאה מאינטראקציות נייטרינו.
חואן קולר, פיזיקאי מאוניברסיטת שיקגו, הוביל את צוות העיצוב שיצר את הגלאי ששימש ב- SNS. כפי שהסביר, זו הייתה גישה "בסיסית ליסודות" שסילקה גלאים יקרים ומאסיביים יותר:
"אפשר לטעון כי מדובר בגלאי קרינה מהולכי הרגל הקיים ביותר, שקיים כבר מאה שנה. סודיום יוד מסידר נתרן ממזג את כל המאפיינים הדרושים כדי לעבוד כגלאי נייטרינו קוהרנטי קטן 'כף יד'. לעתים קרובות מאוד, פחות זה יותר. "
הודות לניסוי שלהם והתחכום של ה- SNS, החוקרים הצליחו לקבוע כי נייטרינים מסוגלים להתחבר לקווארקים באמצעות חילופי בוסונים נייטרליים. תהליך זה, המכונה פיזור נויטרנו-גרעין קוהרנטי קוסטרינטי (CEvNS), ניבא לראשונה בשנת 1973. אך עד כה, אף ניסוי או צוות מחקר לא הצליחו לאשר זאת.
כפי שציין ג'ייסון ניובי, הניסוי הצליח בחלקו הגדול בזכות התחכום של המתקן הקיים. "האנרגיה של נייטרינו SNS מכווננת כמעט לחלוטין לניסוי זה - גדול מספיק כדי ליצור איתות, אך קטן מספיק בכדי לנצל את מצב הקוהרנטיות," אמר. "אקדח העישון היחיד באינטראקציה הוא כמות קטנה של אנרגיה המועברת לגרעין בודד."
הנתונים שייצרו היו גם נקיים יותר מאשר עם ניסויים קודמים, שכן גם הנייטרינים (כמו קרן הנויטרונים SNS שהפיקה אותם) פועמו. זה אפשר את ההפרדה הקלה של האות מאותות רקע, שהציעו יתרון על פני מקורות נייטרינו במצב קבוע - כמו אלה המיוצרים על ידי כורים גרעיניים.
הצוות גם זיהה שלושה "טעמים" של נייטרינים, שכללו נויטרנו-מיונים, אנטי-נוטרינו-מיון ונייטרינו-אלקטרונים. בעוד שהניוטרינו המואונים הופיעו באופן מיידי, האחרים התגלו כמה מיקרו-שניות לאחר מכן. מכאן צוות ה- COHERENT לא רק אימת את התיאוריה של CEvNS, אלא גם את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. לממצאים שלהם יש השלכות גם על האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה.
כפי שהסבירה קייט שולברג, פיזיקאית מאוניברסיטת דיוק ודוברת COHERENT:
"כשכוכב מסיבי מתמוטט ואז מתפוצץ, הנייטרינים משליכים אנרגיה עצומה למעטפת הכוכבית. הבנת התהליך ניזונה מהבנת אופן התרחשותם של אירועים דרמטיים אלה ... נתוני COHERENT יעזרו בפרשנות של מדידות של תכונות נייטרינו על ידי ניסויים ברחבי העולם. יתכן שנוכל להשתמש בפיזור קוהרנטי כדי להבין טוב יותר את מבנה הגרעין. "
אמנם אין צורך באישור נוסף על תוצאותיהם, אולם חוקרי ה- COHERENT מתכננים לערוך מדידות נוספות בכדי לצפות באינטראקציות קוהרנטיות קוהרנטיות בשיעורים שונים (חתימה נוספת לתהליך). מכאן הם מקווים להרחיב את ידיעותיהם על טיב CEvNS, כמו גם על מאפייני נייטרינו בסיסיים אחרים - כמו המגנטיות המהותית שלהם.
תגלית זו בהחלט הייתה מרשימה בפני עצמה, בהתחשב בכך שהיא מאמתת היבט הן של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים והן של הקוסמולוגיה של המפץ הגדול. אבל העובדה שהשיטה מציעה תוצאות נקיות יותר ונשענת על מכשירים שהם קטנים משמעותית ופחות יקרים מניסויים אחרים - זה מרשים מאוד!
ההשלכות של מחקר זה הן בהחלט מרחיקות לכת, ומעניין יהיה לראות אילו תגליות אחרות הוא מאפשר בעתיד!
