Neutrinos เป็นหนึ่งในอนุภาคพื้นฐานที่ประกอบกันเป็นจักรวาล เมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคประเภทอื่น ๆ พวกมันมีมวลน้อยมากไม่มีประจุและมีปฏิสัมพันธ์กับผู้อื่นผ่านแรงนิวเคลียร์และแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอเท่านั้น ด้วยเหตุนี้การค้นหาหลักฐานของการมีเพศสัมพันธ์จึงเป็นเรื่องยากมากโดยต้องใช้เครื่องมือขนาดใหญ่ที่ตั้งอยู่ใต้ดินลึก ๆ เพื่อป้องกันพวกมันจากการรบกวนใด ๆ
อย่างไรก็ตามการใช้ Spallation Neutron Source (SNS) ศูนย์วิจัยที่ตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge (ORNL) - ทีมนักวิจัยนานาชาติได้ทำการค้นพบประวัติศาสตร์เกี่ยวกับนิวตริโนโดยใช้วิธีการที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ในส่วนหนึ่งของการทดสอบ COHERENT ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันการคาดการณ์เมื่อ 43 ปีก่อนและนำเสนอความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการวิจัยนิวตริโน
การศึกษาที่รายละเอียดการค้นพบของพวกเขามีชื่อว่า“ การสังเกตการณ์การกระจายของนิวทริโน - นิวเคลียสยืดหยุ่น” ซึ่งได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่เมื่อเร็ว ๆ นี้ในวารสาร วิทยาศาสตร์. การวิจัยได้ดำเนินการเป็นส่วนหนึ่งของการทดลองแบบ COHERENT โดยความร่วมมือของนักวิจัย 80 คนจาก 19 สถาบันจาก 4 ประเทศที่ค้นหาสิ่งที่รู้จักกันในชื่อ Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) มานานกว่าหนึ่งปี
ในการค้นหาหลักฐานของพฤติกรรมนี้โคเฮนท์ได้สร้างประวัติศาสตร์เป็นหลัก ในฐานะที่เป็น Jason Newby นักฟิสิกส์ ORNL และผู้ประสานงานด้านเทคนิคสำหรับ COHERENT กล่าวในแถลงการณ์ ORNL:
“ การทดลองทางฟิสิกส์ของอนุภาคที่ไม่ซ้ำใครที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge เป็นครั้งแรกในการวัดการกระเจิงของนิวตริโนพลังงานต่ำแบบไม่ต่อเนื่องออกจากนิวเคลียส”
ในการทำลายมันทั้งหมดโมเดลฟิสิกส์มาตรฐานของอนุภาคระบุว่านิวตริโนคือเลปตันอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่น ๆ อย่างอ่อน พวกมันถูกสร้างขึ้นผ่านการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เป็นพลังงานของดวงดาวและจากซุปเปอร์โนวา แบบจำลองจักรวาลของบิ๊กแบงยังทำนายว่านิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีอยู่มากที่สุดเนื่องจากมันเป็นผลพลอยได้จากการสร้างจักรวาล
การศึกษาของพวกเขาจึงเป็นจุดสนใจหลักสำหรับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและนักจักรวาลวิทยา ในการศึกษาก่อนหน้านี้ตรวจพบปฏิกิริยาของนิวตริโนโดยใช้วัตถุเป้าหมายจำนวนตันแล้วตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคที่เกิดจากนิวตริโนที่กระทบกับพวกมัน
ตัวอย่างเช่นหอดูดาว Super-Kamiokande ในญี่ปุ่นสถานที่ใต้ดินซึ่งวัสดุเป้าหมายคือน้ำบริสุทธิ์พิเศษ 50,000 ตัน ในกรณีของ Sudbury Neutrino Observatory ซึ่งตั้งอยู่ในคอมเพล็กซ์เหมืองเก่าใกล้ Sudbury รัฐออนแทรีโอ - เครื่องตรวจจับนิวตริโน SNO อาศัยน้ำหนักสำหรับการตรวจจับนิวตริโนในขณะที่การทดสอบ SNO + จะใช้ scintillator เหลว
และหอดูดาว IceCube Neutrino - เครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ใหญ่ที่สุดในโลกตั้งอยู่ที่สถานีขั้วโลกใต้ Amundsen – Scott ในแอนตาร์กติกาอาศัยน้ำแข็งแอนตาร์กติกเพื่อตรวจจับปฏิกิริยาของนิวตริโน ในทุกกรณีสิ่งอำนวยความสะดวกจะถูกแยกอย่างมากและพึ่งพาอุปกรณ์ราคาแพงมาก
อย่างไรก็ตามการทดลองแบบ COHERENT นั้นมีขนาดเล็กและประหยัดมากโดยการเปรียบเทียบโดยมีน้ำหนักเพียง 14.5 กิโลกรัม (32 ปอนด์) และใช้พื้นที่น้อยกว่ามาก การทดลองนี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์จากระบบที่ใช้ระบบเร่งความเร็ว SNS ที่มีอยู่ซึ่งสร้างลำแสงนิวตรอนที่แรงที่สุดในโลกเพื่อที่จะชนอะตอมของปรอทด้วยลำแสงโปรตอน
กระบวนการนี้สร้างนิวตรอนจำนวนมหาศาลซึ่งใช้สำหรับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่หลากหลาย อย่างไรก็ตามกระบวนการดังกล่าวยังสร้างนิวตริโนจำนวนมากเป็นผลพลอยได้ เพื่อเป็นการใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ทีม COHERENT จึงเริ่มพัฒนาการทดลองนิวตริโนที่รู้จักกันในชื่อ“ นิวทริโน่ซอย” ตั้งอยู่ในโถงทางเดินชั้นใต้ดินเพียง 20 เมตร (45 ฟุต) จากถังปรอทผนังคอนกรีตและกรวดหนาเป็นเกราะป้องกันธรรมชาติ
ทางเดินยังติดตั้งถังเก็บน้ำขนาดใหญ่เพื่อป้องกันนิวตริโนเพิ่มเติมรังสีคอสมิกและอนุภาคอื่น ๆ แต่ต่างจากการทดลองอื่น ๆ เครื่องตรวจจับ COHERENT มองหาสัญญาณของนิวตริโนที่ชนกับนิวเคลียสของอะตอมอื่น เมื่อต้องการทำเช่นนี้ทีมติดตั้งทางเดินพร้อมเครื่องตรวจจับที่อาศัยคริสตัลซีเซียมไอโอไดด์เป็นประกายซึ่งยังใช้โอเดียมเพื่อเพิ่มความโดดเด่นของสัญญาณแสงที่เกิดจากการโต้ตอบของนิวตริโน
Juan Collar นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยชิคาโกนำทีมออกแบบที่สร้างเครื่องตรวจจับที่ใช้ใน SNS ตามที่เขาอธิบายนี่เป็นวิธีการ "กลับสู่พื้นฐาน" ซึ่งทำได้โดยใช้เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่และราคาแพงกว่า:
“ พวกมันเป็นเครื่องตรวจจับรังสีชนิดเดินเท้ามากที่สุดที่มีอยู่โดยใช้เวลาประมาณหนึ่งศตวรรษ โซเดียมไอโอไดด์ที่เจือด้วยโซเดียมจะรวมคุณสมบัติทั้งหมดที่จำเป็นต่อการทำงานเป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ต่อเนื่องกันแบบใช้มือถือขนาดเล็ก บ่อยมากน้อยกว่ามาก”
ต้องขอบคุณการทดลองและความซับซ้อนของ SNS ของพวกเขานักวิจัยจึงสามารถระบุได้ว่านิวตริโนมีความสามารถในการเชื่อมต่อควาร์กผ่านการแลกเปลี่ยน Z bosons ที่เป็นกลาง กระบวนการนี้เรียกว่า Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) ได้รับการทำนายครั้งแรกในปี 1973 แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีทีมการทดลองหรือการวิจัยใดยืนยันได้
ดังที่ Jason Newby ระบุว่าการทดสอบประสบความสำเร็จเป็นส่วนใหญ่เนื่องจากความซับซ้อนของสิ่งอำนวยความสะดวกที่มีอยู่ “ พลังงานของนิวตริโน SNS นั้นเกือบจะสมบูรณ์แบบสำหรับการทดลองนี้ - ใหญ่พอที่จะสร้างสัญญาณที่ตรวจพบได้ แต่มีขนาดเล็กพอที่จะใช้ประโยชน์จากสภาพการเชื่อมโยงกัน” เขากล่าว “ ปืนที่สูบบุหรี่เพียงอย่างเดียวของการทำงานร่วมกันนั้นมีพลังงานเพียงเล็กน้อยที่ส่งไปยังนิวเคลียสเดียว”
ข้อมูลที่ผลิตนั้นยังสะอาดกว่าการทดลองก่อนหน้าเนื่องจาก neutrinos (เช่นลำแสงนิวตรอน SNS ที่ผลิตออกมา) ก็ถูกพัลด้วยเช่นกัน สิ่งนี้อนุญาตให้แยกสัญญาณออกจากสัญญาณพื้นหลังได้ง่ายซึ่งให้ความได้เปรียบเหนือแหล่งกำเนิดนิวตริโนเสถียร - เช่นที่ผลิตโดยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ทีมยังตรวจพบ“ รสชาติ” ของนิวตริโนสามประการซึ่งรวมถึงมูกนิวตริโน, มนติแอนติโนตริโนและนิวตริโนอิเล็กตรอน ในขณะที่ muon neutrinos โผล่ออกมาทันทีคนอื่น ๆ ก็ถูกตรวจจับไม่กี่ไมโครวินาทีต่อมา จากนี้ทีม COHERENT ไม่เพียง แต่ตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎี CEvNS แต่ยังรวมถึงแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค การค้นพบของพวกเขายังมีความหมายสำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยา
ในฐานะที่เป็น Kate Scholberg นักฟิสิกส์จาก Duke University และโฆษกของ COHERENT อธิบาย:
“ เมื่อดาวมวลสูงทรุดตัวลงแล้วก็ระเบิดนิวตริโนจะเทพลังงานลงในซองจดหมายที่เป็นตัวเอก การทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการทำให้เข้าใจเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างน่าทึ่งเหล่านี้ ... ข้อมูลของ COHERENT จะช่วยในการตีความการวัดคุณสมบัติของนิวตริโนโดยการทดลองทั่วโลก เราอาจสามารถใช้การกระเจิงแบบต่อเนื่องเพื่อทำความเข้าใจโครงสร้างของนิวเคลียสได้ดีขึ้น”
ในขณะที่ไม่จำเป็นต้องยืนยันผลลัพธ์เพิ่มเติมนักวิจัย COHERENT วางแผนที่จะทำการตรวจวัดเพิ่มเติมเพื่อสังเกตปฏิกิริยาของนิวตริโนที่ต่อเนื่องกันในอัตราที่แตกต่างกัน จากนี้พวกเขาหวังที่จะขยายความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของ CEvNS เช่นเดียวกับคุณสมบัติของนิวตริโนพื้นฐานอื่น ๆ เช่นแม่เหล็กที่อยู่ภายใน
การค้นพบครั้งนี้น่าประทับใจอย่างแน่นอนในสิทธิของตนเองเนื่องจากมันตรวจสอบมุมมองของทั้งแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคและจักรวาลของบิ๊กแบง แต่ความจริงที่ว่าวิธีการนั้นให้ผลลัพธ์ที่สะอาดกว่าและต้องอาศัยเครื่องมือที่มีขนาดเล็กลงอย่างมากและราคาถูกกว่าการทดลองอื่น ๆ - นั่นน่าประทับใจมาก
ความหมายของการวิจัยนี้แน่นอนว่ากว้างขวางและเป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะเห็นว่าการค้นพบอื่น ๆ นั้นจะช่วยได้ในอนาคต!
