Neutrino Alchemia duchowe cząstki Słońca wreszcie uchwycone podczas przemiany atomów
Tysiące metrów pod ziemią, w mrocznych głębinach skorupy Ziemi, naukowcom po raz pierwszy udało się uchwycić neutrino słoneczne w akcie przemiany węgla-13 w azot-13. To pierwsza obserwacja tej rzadkiej reakcji jądrowej wywołanej przez neutrino, która ukazuje, jak nieuchwytne i ulotne cząstki we wszechświecie mogą przekształcać materię, nawet w mroku głębokiej Ziemi. "To odkrycie wykorzystuje naturalną obfitość węgla-13 w płynie scintylującym używanym w eksperymencie do zmierzenia określonej, rzadkiej interakcji" – powiedziała fizyk Christine Kraus z SNOLAB, obserwatorium neutrino w Kanadzie, gdzie dokonano detekcji. "Według naszej wiedzy te wyniki stanowią najniższą dotąd energię obserwacji interakcji neutrino z jądrami węgla-13 i dostarczają pierwszy bezpośredni pomiar przekroju czynnemu dla tej konkretnej reakcji jądrowej do stanu podstawowego jądra azot-13." Powiązane: To oficjalnie: 'Cząstka-Duch', która uderzyła w Ziemię, pobiła rekordy Neutriny są jednymi z najliczniejszych cząstek we wszechświecie. Powstają w energetycznych okolicznościach, takich jak wybuchy supernowych i fuzja jądrowa, które zachodzą w sercach gwiazd — więc są praktycznie wszędzie. Jednak nie mają ładunku elektrycznego, ich masa jest prawie zerowa i rzadko wchodzą w interakcję z innymi cząstkami. Setki miliardów neutrino przepływa przez twoje ciało w tej samej chwili, po prostu przechodząc przez nie jak duchy. Dlatego są pieszczotliwie nazywane duchowymi cząstkami. Ale co jakiś czas neutrino naprawdę zderza się z inną cząstką – kolizja, która wywołuje ledwo dostrzegalny blask i strumień innych cząstek. Jednak trudno je dostrzec na powierzchni Ziemi, gdzie sygnał zasłaniają promieniowanie kosmiczne i tło radiacyjne. Dlatego jedne z najlepszych detektorów neutrino są głęboko pod ziemią, gdzie skorupa Ziemi stanowi tarczę radiacyjną. Tam gigantyczne komory wyłożone są fotodetektorami i wypełnione płynem scintylującym, który potęguje delikatne sygnały generowane przez rzadkie interakcje neutrino, rozkwitające w kompletnej, ciszy‑smierci. Neutriny wyłaniające się ze Słońca nieustannie prześcigają Ziemię. Ich energie mieszczą się w dobrze znanym zakresie, dzięki czemu łatwo odróżnić je od neutrino atmosferycznych i astrofizycznych, które są znacznie energetyczniejsze i rzadziej występują. Na głębokości dwóch kilometrów w detektorze SNOLAB‑SNO+ niemal wszystkie zdarzenia w tym zakresie energetycznym mają pochodzenie słoneczne. Pod kierunkiem fizyka Gullivera Miltona z University of Oxford zespół przeanalizował dane z SNO+ zebrane między 4 maja 2022 a 29 czerwca 2023, szukając sygnału wskazującego na interakcję neutrino z węglem‑13 w cieczy scintylującej.
Najważniejsza obserwacja w historii: neutrino słoneczne przekształca węgiel-13 w azot-13
Kiedy neutrino elektronowe ze Słońca uderza w jądro węgla‑13, kolizja dokonuje dwóch rzeczy. Pierwszą jest produkcja elektronu, cząstki z ładunkiem ujemnym, podczas gdy atom pochłania neutrino. W jądrze węgla znajduje się 13 cząstek: sześć protonów i siedem neutronów. Słaba interakcja wywołana przez neutrino przekształca jeden z neutronów w proton, emitując elektron. Z liczby protonów powiększonej z sześciu do siedmiu, atom ten nie jest już węglem, lecz azotem‑13, który ma siedem protonów i sześć neutronów. Około 10 minut później powstały azot‑13 – niestabilny izotop azotu o połowicznej szerokości życia wynoszącej 10 minut – rozpada się, emitując charakterystyczny antyelektron, czyli pozyton. Wynik całego procesu od początku do końca to charakterystyczne, dwufazowe błyski zwane opóźnionym kojarzeniem. W praktyce naukowcy obserwują elektron, a następnie, około 10 minut później, pozyton jako sygnał potwierdzający konwersję węgla‑13 do azotu‑13 przez neutrino. Z 231 dni obserwacyjnych naukowcy zidentyfikowali 60 kandydackich zdarzeń. Przekazanie danych kandydatów do ich modelu statystycznego oszacowało 5,6 przemian węgla‑13 na azot‑13 wywołanych neutrino, co dość dobrze odpowiada szacowanemu wynikowi 4,7 zdarzeń, które spodziewano. "Ujęcie tej interakcji to niezwykłe osiągnięcie," mówi Milton. "Pomimo rzadkości izotopu węgla, udało nam się zaobserwować jego interakcję z neutrino, które narodziły się w jądrze Słońca i przebyły ogromne odległości, aby dotrzeć do naszego detektora." Rezultat jest ekscytujący. Potwierdzanie teoretycznych przewidywań jest zawsze satysfakcjonujące, ponieważ oznacza to, że nauka idzie we właściwym kierunku.
Wyniki, znaczenie i kontekst naukowy
To także nowy pomiar prawdopodobieństwa tej konkretnej niskonEnergetycznej reakcji neutrino-węgiel, co ustanawia nowy punkt odniesienia w fizyce jądrowej, który będzie użyteczny w przyszłych badaniach. "Cząstki neutrino słoneczne same w sobie były od wielu lat tematem badań, a pomiary tych cząstek przez nasz poprzedni eksperyment, SNO, doprowadziły do Nagrody Nobla w fizyce w 2015 roku," mówi Steven Biller z University of Oxford. "To niezwykłe, że nasze zrozumienie neutrino ze Słońca posunęło się tak daleko, że możemy teraz po raz pierwszy użyć ich jako 'testowego strumienia' do badania innych, rzadkich reakcji atomowych!" Badania zostały opublikowane w Physical Review Letters.
