Den Wissenschaftlern gelang es, die Zeit zu täuschen und ein Geisterteilchen zu fangen
Russische Physiker konnten zusammen mit ihren amerikanischen Kollegen fast ein halbes Jahrhundert Vorhersagen bestätigen, dass das sogenannte "Geisterteilchen" von Neutrinos mit gewöhnlicher Materie interagiert. Es wurde eine Studie durchgeführt, die dazu beitragen kann, ein Gerät zu entwickeln, das durch Kernreaktoren sehen und herausfinden kann, welche Prozesse in Supernovae ablaufen.
1974 wurde unter Wissenschaftlern eine Theorie über die Möglichkeit einer Wechselwirkung zwischen Neutrinos und Materie auf unbekannte Weise zum Ausdruck gebracht. Diese Elementarteilchen, die millionenfach leichter als ein Elektron sind, können die Planeten frei passieren. Kollisionen mit Atomkernen treten periodisch auf und Neutrinos interagieren mit einigen Neutronen und Protonen. Vor vier Jahrzehnten gingen Wissenschaftler jedoch davon aus, dass eine Wechselwirkung zwischen dem Neutrino und dem Kern als Ganzes möglich ist. Dieser Mechanismus wird als kohärente Neutrino-Streuung an Kernen bezeichnet. Es wurde als eine der Komponenten des Standardmodells für elektroschwache Wechselwirkungen vorgeschlagen, wurde jedoch bisher nicht experimentell bestätigt.
Die elektroschwache Wechselwirkung ist eine allgemeine Beschreibung mehrerer grundlegender Wechselwirkungen - elektromagnetisch und schwach. Es ist allgemein anerkannt, dass diese Wechselwirkungen, nachdem das Universum eine Temperatur von etwa 1015 Kelvin erreicht hatte (und dies fast unmittelbar nach dem Urknall geschah), ein einziges Ganzes waren. Schwache Kräfte manifestieren sich im Gegensatz zu elektromagnetischen Kräften in einem viel kleineren Maßstab im Verhältnis zur Größe des Atomkerns. Sie sorgen für einen Beta-Zerfall des Kerns, bei dem nicht nur Neutrinos, sondern auch Antineutrinos freigesetzt werden können. Gleichzeitig entsteht nach der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung nicht nur ein Neutrino, sondern auch seine Wechselwirkung mit Materie, Materie.
Die Theorie besagt, dass, wenn ein Wechselwirkungsprozess zwischen dem Neutrino und dem Kern aufgrund kohärenter Streuung stattfindet, Energie freigesetzt wird, die über das Z-Boson, das den Träger einer schwachen Wechselwirkung darstellt, auf den Kern übertragen wird. Es ist sehr schwierig, diesen Prozess zu beheben, da die Energiefreisetzung sehr unbedeutend ist. Um die Wahrscheinlichkeit einer kohärenten Streuung zu erhöhen, werden schwere Elemente als Ziele verwendet, insbesondere Cäsium, Jod und Xenon. Je schwerer der Kern ist, desto schwieriger ist es gleichzeitig, diesen Rückstoß zu erkennen, was wiederum die Situation kompliziert.
Wissenschaftler schlugen vor, kryogene Detektoren zur Detektion von Neutrino-Streuung zu verwenden, die theoretisch sogar die Wechselwirkung von einfacher Materie und dunkler Materie aufzeichnen können. Ein kryogener Detektor ist eine sehr kalte Kammer mit einer Temperatur von nur einem Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, die die geringe Wärmemenge aufnimmt, die bei der Reaktion von Kernen mit Neutrinos freigesetzt wird. Als Substrat werden Kristalle aus Calcium- oder Germaniumwolframat verwendet, außerdem könnten supraleitende Bauelemente, inerte Flüssigkeiten oder modifizierte Halbleiter auch die Rolle von Detektoren spielen.
Nach Durchführung der erforderlichen Berechnungen stellten die Forscher fest, dass der ideale Kandidat für das Ziel Cäsiumiodid mit Natriumverunreinigungen ist. Es waren die Kristalle dieser Substanz, die die Basis für den kleinen Detektor bildeten (sein Gewicht betrug nur 14 Kilogramm und die Größe 10 x 30 Zentimeter). Dieser Detektor wurde an der SNS-Neutronenquelle im US-Bundesstaat Tennessee im Oak Ridge National Laboratory installiert. Der Detektor wurde in einem mit Beton und Eisen abgeschirmten Tunnel etwa zwei Dutzend Meter von der Quelle entfernt platziert, der Neutronenstrahlen reproduziert, aber gleichzeitig gibt es einen Nebeneffekt - Neutrinos.
Eine künstliche Quelle SNS kann im Gegensatz zu natürlichen Neutrinoquellen, insbesondere der Erdatmosphäre oder der Sonne, einen ausreichend großen Neutrinostrahl erzeugen, der von einem Detektor erfasst werden kann, aber gleichzeitig klein genug ist, um eine kohärente Streuung zu verursachen. Wie die Forscher feststellen, passen Detektor und Quelle nahezu perfekt zusammen. Cäsiumiodidmoleküle werden bei Wechselwirkung mit Partikeln in Szintillatoren umgewandelt (mit anderen Worten, sie geben Energie in Form von Licht wieder ab). Und es war dieses Licht, das registriert wurde. Nach dem Standardmodell gingen ein Myonenneutrino, ein Elektronenneutrino und ein Myonantineutrino eine Wechselwirkung mit dem Kristall ein.
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Diese Entdeckung ist wichtig. Und es geht überhaupt nicht darum, dass Wissenschaftler das physikalische Bild der Welt, das das Standardmodell beschreibt, erneut bestätigt haben. Durch kohärente Streuung hoffen die Wissenschaftler, spezifische Werkzeuge und Techniken zur Überwachung von Kernreaktoren zu entwickeln, um durch Wände hindurch zu sehen, was im Inneren geschieht. Darüber hinaus tritt eine kohärente Streuung innerhalb von Neutronen und gewöhnlichen Sternen sowie während Supernova-Explosionen auf. Dies bietet die Möglichkeit, mehr über ihre Struktur und ihr Leben zu erfahren. Wissenschaftler wissen, dass die im Darm von Supernovae vorhandenen Neutrinos während der Explosion auf die äußere Hülle treffen und eine Schockwelle bilden, die den Stern in Stücke reißt. Aufgrund der kohärenten Streuung kann eine ähnliche Wechselwirkung zwischen Neutrinos und der Materie des explodierenden Sterns erklärt werden.
Bei der Suche nach WIMPs - theoretischen Partikeln dunkler Materie - verlassen sich die Forscher außerdem auf die Detektion von Strahlung, die von ihren Kollisions- und Atomkernen ausgeht. Es muss von dem Hintergrund unterschieden werden, der eine kohärente Neutrino-Streuung erzeugt. Dies kann die Daten verbessern, die mit kryogenen und anderen Detektoren über dunkle Materie erhalten werden können.
