U najdubljoj laboratoriji na Zemlji naučnici otkrili emisiju „čestica duhova“

Zakopan pod kilometrima stijena u kanadskoj državi Ontario, rezervoar najčistije vode bljesnuo je dok su se jedva uočljive čestice probijale kroz njega. Riječ je o prvom korišćenju vode za detekciju čestica poznatih kao antineutrini, a one su došle iz nuklearnog reaktora udaljenog više od 240 kilometara.

To neverovatno otkriće obećava eksperimente s neutrinom i tehnologiju praćenja koja koristi jeftine, lako dostupne i sigurne materijale.

Neutrini i antineutrini

Neutrini su neke od najzastupljenijih čestica u svemiru, vrlo čudne i s puno potencijala za otkrivanje dubljih uvida u svemir. Neutrini gotovo nemaju masu, ne nose nalektrisanje i jedva da uopšte stupaju u interakciju s drugim česticama. Uglavnom putuju svemirom i stijenama, kao da je sva materija bestjelesna, a to je i jedan od razloga zbog kojih ih nazivaju „čestice duhovi“.

Antineutrini su pak antičestični pandan neutrinima. Antičestica obično ima suprotno naelektrisanje od svog ekvivalenta, pa je tako na primer antičestica negativno nabijenog elektrona pozitivno nabijeni pozitron. Budući da neutrini ne nose naelektrisanje, naučnici ih mogu razlikovati samo na osnovu činjenice da će se elektronski neutrino pojaviti uz pozitron, dok se elektronski antineutrino pojavljuje sa elektronom.

Kako nastaju antineutrini i kako ih otkriti?

Elektronski antineutrini emituju se tokom nuklearnog beta-raspada, vrste radioaktivnog raspada u kojem se neutron raspada u proton, elektron i antineutrino. Jedan od tih elektronskih antineutrina tada može da nastupi u interakciju s protonom i da proizvede pozitron i neutron, u reakciji poznatoj kao inverzni beta-raspad.

Veliki rezervoari punjeni tečnošću obloženi fotomultiplikatorskim cevima koriste se za otkrivanje te posebne vrste nuklearnog raspadanja. Dizajnirani su za hvatanje slabog sjaja Čerenkovljevog zračenja, koje stvaraju nabijene čestice koje se kreću brže nego što svjetlost može da putuje kroz tečnost. Zbog toga su vrlo osjetljivi na vrlo slabo svijetlo.

Posebna laboratorija za detekciju

Nuklearni reaktori zapravo proizvode antineutrine u neverovatnim količinama, ali ti antineutrini imaju relativno nisku energiju, pa ih je vrlo teško otkriti. Ali, tu nastupa SNOLAB-ov eksperiment SNO+. Zakopan ispod više od dva kilometra stijena, zapravo je najdublja podzemna laboratorija na svetu. Stjenoviti štit iznad njega pruža delotvornu prepreku smetnjama kosmičkih zraka, što naučnicima omogućava dobijanje izuzetne razlučivosti.

Taj laboratorijski sferični rezervoar od 780 tona danas je napunjen linearnim alkilbenzenom, tekućim scintilatorom koji pojačava svetlost, a 2018. godine, dok je bio na kalibraciji, bio je napunjen ultračistom vodom. Naučnici su, proučavajući 190 dana vrednih podataka prikupljenih tokom te faze kalibracije, pronašli dokaz obrnutog beta-raspada.

Vodonikovo jezgro u vodi zarobljava neutron proizveden tokom tog procesa, a ona zauzvrat proizvodi slabašan bljesak svjetlosti, na vrlo specifičnom energetskom nivou od 2,2 megaelektronvolta (MeV).

Moguća primjena detektora na bazi vode

Vodeni Čerenkovljevi detektori inače teško detektuju signale ispod 3 MeV, ali je SNO+ ispunjen vodom uspeo da otkrije signale na nivou do 1,4 MeV. To daje djelotvornost od oko 50 odsto za detekciju signala na 2,2 megaelektronvolta, pa je naučni tim mislio da se isplati potražiti znakove inverznog beta-raspada. Analizom signala kandidata utvrđeno je da su ih vjerovatno proizveli antineutrini, s nivoom pouzdanosti od 3 sigma, što znači vjerovatnoću od 99,7 odsto.

Taj rezultat navodi na zaključak da bi se detektori na bazi vode mogli koristiti za praćenje proizvodnje energije nuklearnih reaktora.

Potraga za dosad neviđenim

U međuvremenu, SNO+ se koristi za bolje razumijevanje neutrina i antineutrina. Budući da je neutrine nemoguće direktno izmjeriti, nauka zapravo ne zna puno o njima. Jedno od najčešćih pitanja glasi – da li su neutrini i antineutrini potpuno iste čestice? Rijetko i dosad neviđeno nuklearno raspadanje dalo bi odgovor na to pitanje pa SNO+ trenutno traži baš takav nuklearni raspad.

„Ono što intrigira jeste da se čista voda može koristiti za mjerenje antineutrina iz reaktora i na tako velikim udaljenostima. Uložili smo znatan trud da izvučemo pregršt signala iz 190 dana podataka. Rezultat je zadovoljavajući“, rekao je fizičar Logan Lebanovski iz kolaboracije SNO+ i Kalifornijskog univerziteta Berkli, preneo je „Sajens alert“.