Miniaturowy detektor zrewolucjonizował poszukiwania antyneutrin. To historyczne odkrycie

Eksperyment CONUS+ i jego znaczenie

Projekt CONUS+ to wyraźny przełom w fizyce neutrin. Naukowcy umieścili swój kompaktowy detektor zaledwie 20,7 metra od rdzenia reaktora w szwajcarskiej elektrowni jądrowej w Leibstadt. Jak na standardy tej dziedziny, to niemal bezpośrednie sąsiedztwo, ponieważ większość podobnych badań wymaga znacznie większych odległości. Sercem urządzenia są trzy germanowe detektory półprzewodnikowe, każdy ważący po kilogram. Różnica w skali jest uderzająca. Jak wskazują badacze w publikacji w Nature, tradycyjne metody zwykle wymagają mas tarcz rzędu ton do kiloton, co pokazuje o jakiej skali miniaturyzacji mówimy w tym przypadku. Kluczem do sukcesu okazał się niezwykle niski próg energetyczny detektorów – zaledwie 160 elektronowoltów, czyli tylko o dwa rzędy wielkości więcej niż typowa przerwa energetyczna półprzewodnika. Dzięki temu możliwe stało się wychwycenie nawet bardzo subtelnych sygnałów.

Czytaj też: Szukali jednego, znaleźli coś zupełnie innego. Ten niesamowity rozpad cząstek elementarnych zdarza się rzadziej niż wygrana w loterii

Po niemal czterech miesiącach nieprzerwanych obserwacji, prowadzonych od jesieni 2023 do lata 2024 roku, zespół uzyskał długo wyczekiwany rezultat. Wykryto nadwyżkę 395 ± 106 sygnałów neutrin po odjęciu wszystkich zakłóceń tła. Przewidywania modelu standardowego fizyki cząstek wskazywały na 347 ± 59 zdarzeń, dlatego wynik eksperymentu idealnie wpisuje się w te ramy. Istotność statystyczna odkrycia wynosi 3,7 sigma, co w fizyce cząstek uznaje się za bardzo wysoką pewność. Podstawą działania detektora CONUS+ jest zjawisko koherentnego elastycznego rozpraszania neutrino-jądro (CEvNS). Teoria przewidziała je już w 1974 roku, ale pierwsza eksperymentalna obserwacja nastąpiła dopiero w 2017 roku w ramach eksperymentu COHERENT przy akceleratorze cząstek. Jak przebiega takie zjawisko? Mówiąc krótko, neutrina nie rozpraszają się na pojedynczych składnikach jąder atomowych w detektorze, lecz raczej koherentnie z całym jądrem. W praktyce oznacza to, że neutrina oddziałują z całym jądrem atomu germanu, a nie z pojedynczymi protonami czy neutronami.

Przełom w poszukiwaniach i dalsze plany fizyków

CEvNS oferuje kilka istotnych zalet w zestawieniu z klasycznymi technikami. Przede wszystkim, szybkość reakcji jest większa o kilka rzędów wielkości, ponieważ skaluje się z kwadratem liczby neutronów w jądrze docelowym. To fundamentalna przyczyna, dla której możliwe stało się skonstruowanie detektora ważącego zaledwie kilka kilogramów. Poza tym, podczas gdy tradycyjny odwrotny rozpad beta jest czuły tylko na antyneutrina elektronowe, CEvNS reaguje na wszystkie trzy znane rodzaje neutrin. To znacznie poszerza pole badawcze. Reaktory jądrowe, jak ten w Leibstadt, okazują się przy tym doskonałym źródłem, zapewniając bardzo wysoki strumień czystych antyneutrin elektronowych. Dość powiedzieć, że w miejscu detektora przepływa przez każdy centymetr kwadratowy ponad 10 bilionów neutrin na sekundę.

Czytaj też: Fizycy rozstrzygnęli wieloletni spór. Z jednej strony Einstein, z drugiej Bohr

Naukowcy nie spoczęli na laurach. W listopadzie 2024 roku trzy z czterech detektorów wymieniono na należące do nowszej generacji. Każdy z nich waży teraz 2,4 kilograma i charakteryzuje się jeszcze niższym progiem energetycznym. Potencjał zastosowań takich instrumentów wykracza poza czystą naukę. Dr Christian Buck wskazuje na możliwość stworzenia niewielkich, mobilnych detektorów neutrin oddelegowanych do monitorowania mocy cieplnej reaktorów czy śledzenia stężenia izotopów. To mogłoby znacząco usprawnić kontrolę bezpieczeństwa elektrowni jądrowych. Jeśli chodzi o implikacje dla innych dziedzin, to na liście wymienia się chociażby badania ciemnej materii, badanie neutrin pochodzących z supernowych, lepsze poznanie struktur jądrowych czy testowanie teorii wykraczających poza model standardowy.

Trzy kilogramy germanu mogą zapoczątkować nową erę w badaniu tych najbardziej nieuchwytnych cząstek, pokazując, że do zgłębiania tajemnic wszechświata nie zawsze potrzebujemy gigantycznych instalacji.