Ιστορικό γεγονός: Ερευνητές κατέγραψαν αλληλεπιδράσεις του σωματιδίου «φάντασμα» με την ύλη

Σε μια από τις πιο ακριβείς μετρήσεις που έχουν καταγραφεί μέχρι σήμερα, φυσικοί στη Ελβετία κατόρθωσαν να εντοπίσουν αλληλεπίδραση σωματιδίων «φαντάσματα» — των γνωστών νετρίνων — με την ύλη, σε επίπεδα ενέργειας χαμηλότερα από κάθε προηγούμενη παρατήρηση. Το επίτευγμα αυτό, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, ανοίγει νέους δρόμους για τη μελέτη των μυστηριωδών αυτών σωματιδίων και θέτει τις βάσεις για μελλοντικές εφαρμογές, ακόμη και πέρα από τη θεμελιώδη φυσική.

Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια σχεδόν χωρίς μάζα, τα οποία διαπερνούν τον ανθρώπινο οργανισμό κατά τρισεκατομμύρια κάθε δευτερόλεπτο, χωρίς να αφήνουν ίχνη. Η ελάχιστη αλληλεπίδρασή τους με την ύλη τούς χάρισε το προσωνύμιο «σωματίδια-φάντασμα». Τα αντινετρίνα, που αποτελούν τα αντίστοιχα αντισωματίδια, έχουν σχεδόν πανομοιότυπες ιδιότητες. Και τα δύο όμως είναι εξαιρετικά δύσκολα στον εντοπισμό τους. Ωστόσο, η πρόοδος στην ανίχνευσή τους συνεχίζεται, όπως αποδεικνύει και η νέα μελέτη.

Η ομάδα του πειράματος CONUS+ — με έδρα τον πυρηνικό αντιδραστήρα του Leibstadt στην Ελβετία — κατάφερε να ανιχνεύσει σπάνιες αναπηδήσεις αντινετρίνων επάνω στους πυρήνες ατόμων, καταγράφοντας το χαμηλότερο ενεργειακό γεγονός που έχει μετρηθεί ποτέ για σωματίδια αυτού του είδους. Το εντυπωσιακό στην περίπτωση αυτή είναι ότι η πηγή των σωματιδίων δεν ήταν κάποιος επιταχυντής σωματιδίων, αλλά ένας κοινός πυρηνικός αντιδραστήρας, μια «ελεύθερη» πηγή αντινετρίνων, όπως τη χαρακτήρισε ο Christian Buck από το Max Planck Institute, ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης.

Ο εντοπισμός επιτεύχθηκε μέσω μιας διεργασίας γνωστής ως «συνεκτική ελαστική σκέδαση νετρίνου-πυρήνα» (CEvNS). Πρόκειται για μια μορφή σύγκρουσης όπου το νετρίνο «χτυπά» ολόκληρο τον πυρήνα ενός ατόμου, παράγοντας ένα ασθενές σήμα, το οποίο όμως μπορεί να καταγραφεί. Η ιδέα αυτής της διάδρασης προβλέφθηκε το 1974, αλλά επιβεβαιώθηκε πειραματικά μόλις το 2017 στο εργαστήριο Oak Ridge των ΗΠΑ. Τώρα, το CONUS+ κάνει ένα ακόμη βήμα, αποδεικνύοντας πως η ίδια διεργασία μπορεί να παρατηρηθεί και σε περιβάλλον αντιδραστήρα.

Το σύστημα ανίχνευσης που χρησιμοποιήθηκε ζυγίζει μόλις 3 κιλά, σε πλήρη αντίθεση με τους τεράστιους ανιχνευτές νετρίνων που συνήθως κατασκευάζονται σε υπόγεια εργαστήρια. Αυτή η μικρογραφία ανοίγει τον δρόμο για φορητές εφαρμογές που θα μπορούσαν στο μέλλον να αξιοποιηθούν σε ποικίλα επιστημονικά και βιομηχανικά περιβάλλοντα, όπως εξηγούν οι ερευνητές.

Ο Buck παρομοίασε τη συγκεκριμένη διαδικασία ως ένα χτύπημα από μπαλάκι πινγκ-πονγκ πάνω σε αυτοκίνητο: το νετρίνο μεταφέρει ελάχιστη ενέργεια, αλλά η ανίχνευση αυτής της «αναπήδησης» επιτρέπει την παρακολούθηση της αλληλεπίδρασης. Στον πυρηνικό αντιδραστήρα του Leibstadt, εκπέμπονται κάθε δευτερόλεπτο 10²¹ αντινετρίνα, σχεδόν όλα περνούν απαρατήρητα, αλλά το CONUS+ καταφέρνει να συλλαμβάνει μερικά από αυτά την ημέρα.

Ο Henry T. Wong, φυσικός στο Ινστιτούτο Φυσικής της Ακαδημίας Sinica στην Ταϊβάν, σχολίασε στο Nature πως η μελέτη σηματοδοτεί τη μετάβαση της έρευνας CEvNS σε μια νέα φάση ακριβείας, προκαλώντας ενθουσιασμό στην κοινότητα των φυσικών σωματιδίων. Όπως εξηγεί, η ακριβής μέτρηση των χαμηλότερων ενεργειακών ορίων των νετρίνων δημιουργεί ευκαιρίες για την αναθεώρηση θεωριών που σχετίζονται με το Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής.

Πράγματι, ένα από τα μεγαλύτερα στοιχήματα των ερευνητών είναι το κατά πόσο οι μετρήσεις αυτές θα αποκαλύψουν ανωμαλίες που δεν συμφωνούν με την υφιστάμενη θεωρία. Σε αυτή την περίπτωση, θα μπορούσαμε να βρισκόμαστε μπροστά σε φαινόμενα που μαρτυρούν την ύπαρξη νέων, άγνωστων σωματιδίων ή αλληλεπιδράσεων.

Πέρα όμως από τη θεμελιώδη φυσική, η τεχνολογία του CONUS+ έχει και πιο άμεσες προοπτικές. Σύμφωνα με τον Buck, ένας τέτοιος ανιχνευτής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της ισχύος ενός πυρηνικού αντιδραστήρα ή ακόμη και της αλλαγής στη σύνθεση του καυσίμου του με την πάροδο του χρόνου. Το γεγονός ότι η συσκευή λειτουργεί μέσα σε έναν εν λειτουργία αντιδραστήρα έχει ήδη προσελκύσει το ενδιαφέρον φορέων όπως η Διεθνής Υπηρεσία Ατομικής Ενέργειας.

Ο φυσικός παραδέχεται ότι η πορεία προς την εμπορική αξιοποίηση είναι ακόμη μακρά, ωστόσο το πρώτο σημαντικό βήμα έχει ήδη γίνει. Προς το παρόν, ο στόχος είναι η περαιτέρω αύξηση της ακρίβειας και της ευαισθησίας του ανιχνευτή.

Κλείνοντας, ο Buck σχολίασε και ένα φιλοσοφικό ερώτημα που συχνά τίθεται: αν τα νετρίνα είναι τα «σωματίδια-φάντασμα», τότε τα αντινετρίνα είναι «αντι-φαντάσματα»; Ο ίδιος εξηγεί ότι τα δύο σωματίδια είναι πρακτικά εικόνα το ένα του άλλου σε έναν καθρέφτη, συμμετρικά αλλά όχι πανομοιότυπα. Η απάντηση στο ερώτημα για το αν υπάρχει ουσιαστική διαφορά μεταξύ τους παραμένει ανοιχτή — και ίσως φέρει μαζί της ένα ακόμη κομμάτι του παζλ που συνθέτει τη δομή του Σύμπαντος.

[via]