Научниците во најдлабоката лабораторија на 2 километри под Земјата открија емисија на „честички на духови“ од нуклеарна централа оддалечена 240 километри

За прв пат, научниците користеа вода за да откријат антинеутрина, честички кои инаку се исклучително тешки за откривање.

Закопан под километри од карпи во Онтарио, Канада, блесна резервоар со најчиста вода додека едвај забележливи честички се пробиваа низ него. Тоа е прва употреба на вода за откривање на честички познати како антинеутрина, а овие честички дошле од нуклеарен реактор оддалечен повеќе од 240 километри. Неверојатното откритие ветува експерименти со неутрино и технологија за следење која користи евтини, лесно достапни и безбедни материјали.

Неутрина и антинеутрина

Неутрините се едни од најзастапените честички во универзумот, многу чудни и полни со потенцијал за откривање на подлабок увид во универзумот. Неутрините немаат речиси никаква маса, не носат полнеж и речиси воопшто не комуницираат со други честички. Тие најчесто патуваат низ вселената и карпите, како целата материја да е бестелесна, а тоа е една од причините зошто се нарекуваат честички духови.

Антинеутрините се античестички пандан на неутрината. Античестичката обично има спротивен полнеж од нејзиниот еквивалент на честички, па на пример, античестичката на негативно наелектризираниот електрон е позитивно наелектризиран позитрон. Бидејќи неутрината не носат полнеж, научниците можат да ги разликуваат само врз основа на фактот дека електронска неутрина ќе се појави со позитрон, додека електронско антинеутрино се појавува со електрон.

Како се формираат антинеутрините и како да се детектираат?

Електронските антинеутрини се емитуваат за време на нуклеарното бета-распаѓање, вид на радиоактивно распаѓање во кое неутронот се распаѓа во протон, електрон и антинеутрино. Еден од овие електронски антинеутрина потоа може да комуницира со протон за да произведе позитрон и неутрон, во реакција позната како инверзна бета-распаѓање.

За откривање на овој конкретен тип на нуклеарно распаѓање се користат големи резервоари исполнети со течност обложени со цевки за фотомултипликатор. Тие се дизајнирани да го доловат слабиот сјај на радијацијата Черенков, која создава наелектризирани честички кои се движат побрзо отколку што светлината може да помине низ течност. Поради ова, тие се многу чувствителни на многу слаба светлина.

Специјална лабораторија за детекција

Нуклеарните реактори всушност произведуваат антинеутрина во неверојатни количини, но овие антинеутрина имаат релативно мала енергија, па затоа е многу тешко да се детектираат. Но, тука  доаѓа експериментот SNO+ на SNOLAB. Закопана под повеќе од 2 километри карпа, таа е најдлабоката подземна лабораторија во светот. Карпестиот штит над него обезбедува ефикасна бариера за пречки на космичките зраци, овозможувајќи им на научниците да добијат исклучителна резолуција.

Сферичниот резервоар на таа лабораторија од 780 тони сега е исполнет со линеарен алкилбензен, течен сцинтилатор што ја засилува светлината, а во 2018 година, додека беше подложен на калибрација, беше наполнет со ултра чиста вода. Со проучување на податоците во вредност од 190 дена собрани за време на таа фаза на калибрација, научниците пронајдоа докази за обратно бета-распаѓање. Неутронот произведен за време на овој процес е заробен од водородното јадро во водата, кое пак произведува слаб блесок на светлина, на многу специфично ниво на енергија од 2,2 мегаелектронволти (MeV).

Истражувањето поврзано со ова откритие беше објавено во списанието Physical Review Letters .

Можна примена на детектори на база на вода

Детекторите за вода Черенков генерално имаат потешкотии да детектираат сигнали под 3 MeV, но SNO+ исполнет со вода можеше да открие сигнали дури 1,4 MeV. Ова дава ефикасност од околу 50 проценти за откривање сигнали на 2,2 мегаелектрон волти, така што тимот сметаше дека вреди да се бараат знаци на инверзна бета-распаѓање. Анализата на кандидатските сигнали утврди дека тие веројатно биле произведени од анатинеутрино, со ниво на доверба од 3 сигма, што значи голема веројатност од 99,7 проценти.

Овој резултат сугерира дека детекторите на база на вода би можеле да се користат за следење на излезната моќност на нуклеарните реактори.

Потрагата по претходно невиденото

Во меѓувреме, SNO+ се користи за подобро разбирање на неутрините и антинеутрините. Бидејќи неутрината е невозможно директно да се измерат, науката навистина не знае многу за нив. Едно од најголемите прашања е – дали неутрината и антинеутрината се исти честички? Ретко и невидено нуклеарно распаѓање би одговорило на тоа прашање, па SNO+ моментално бара токму такво нуклеарно распаѓање.

Ние сме заинтригирани дека чистата вода може да се користи за мерење на антинеутрината од реакторите дури и на толку големи растојанија. Вложивме значителен напор за да извлечеме неколку сигнали од податоци од 190 дена. Резултатот е задоволителен , вели физичарот Логан Лебановски од соработката на SNO+ и Универзитетот во Калифорнија, Беркли.