뉴트리노는 우주를 구성하는 기본 입자 중 하나입니다. 다른 유형의 입자에 비해 질량이 거의없고 전하가 없으며 약한 핵력과 중력을 통해서만 다른 입자와 상호 작용합니다. 따라서 상속인 상호 작용의 증거를 찾는 것은 극히 어렵습니다. 지하 깊은 곳에 위치한 대규모 장비는 간섭으로부터 보호해야합니다.
그러나 국제 연구팀 인 ORNL (Oak Ridge National Laboratory)에 위치한 연구 시설 인 Spallation Neutron Source (SNS)를 사용하여 최근 완전히 다른 방법으로 중성미자에 대한 역사적 발견을했습니다. COHERENT 실험의 일환으로이 결과는 43 년 전에 이루어진 예측을 확인하고 중성미자 연구를위한 새로운 가능성을 제공합니다.
“일관성 탄성 중성자 핵산란 관찰”이라는 연구 결과가 최근에 저널에 발표되었다. 과학. 이 연구는 COHERENT 실험의 일환으로 1 년 이상 CEVNS (Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering)로 알려진 4 개 국가에서 19 개 기관의 80 개 연구자들이 공동으로 수행 한 COHERENT 실험의 일환으로 수행되었습니다.
COHERENT는 이러한 행동의 증거를 찾아 내면서 본질적으로 역사를 만들어 왔습니다. ORNL 물리학 자이자 COHERENT의 기술 코디네이터 인 Jason Newby는 ORNL 언론 보도에서 다음과 같이 말했습니다.
"Oak Ridge National Laboratory의 유일한 입자 물리학 실험은 핵에서 저에너지 중성미자의 코 히어 런트 산란을 측정 한 최초의 연구입니다."
모든 것을 분해하기 위해, 입자 물리학의 표준 모델은 중성미자가 다른 물질과 매우 약하게 상호 작용하는 입자 인 렙톤임을 나타냅니다. 그것들은 방사성 붕괴, 별을 움직이는 핵 반응, 그리고 초신성에서 만들어집니다. 우주론의 빅뱅 모델은 또한 중성미자가 우주 생성의 부산물이기 때문에 존재하는 가장 풍부한 입자라고 예측합니다.
따라서, 그들의 연구는 이론 물리학 자와 우주 론자들에게 주요 초점이되었다. 이전 연구에서, 중성미자 상호 작용은 말 그대로 많은 양의 표적 물질을 사용한 다음 중성미자에 부딪힌 결과로 발생하는 입자 변형을 조사함으로써 감지되었습니다.
대상 물질이 5 만 톤의 초순수 인 지하 시설 인 일본의 Super-Kamiokande Observatory가 그 예입니다. SNOLAB의 Sudbury Neutrino Observatory (온타리오 주 Sudbury 근처의 이전 광산 단지에 위치)의 경우 SNO 중성미자 검출기는 중성 수를 사용하여 중성미자 감지를하는 반면 SNO + 실험은 액체 섬광기를 사용합니다.
그리고 남극 대륙의 Amundsen-Scott South Pole Station에 위치한 세계에서 가장 큰 중성미자 탐지기 인 IceCube Neutrino Observatory는 남극 얼음을 이용하여 중성미자 상호 작용을 탐지합니다. 모든 경우에 시설은 매우 격리되어 있으며 값 비싼 장비에 의존합니다.
그러나 COHERENT 실험은 무게가 14.5kg (32lbs)에 불과하고 공간을 훨씬 적게 차지하는 것으로 비교하면 엄청나게 작고 경제적입니다. 이 실험은 기존 SNS 가속기 기반 시스템을 이용하여 만들어졌으며,이 시스템은 세계에서 가장 강한 펄스 중성자 빔을 생성하여 수은 원자를 양성자 빔으로 분쇄합니다.
이 과정은 다양한 과학 실험에 사용되는 다량의 중성자를 생성합니다. 그러나이 공정은 또한 부산물로 상당한 양의 중성미자를 생성합니다. 이를 활용하기 위해 COHERENT 팀은 "중성미자 골목"으로 알려진 중성미자 실험을 개발하기 시작했습니다. 수은 탱크에서 20 미터 (45 피트) 떨어진 지하실 복도에 위치한 두꺼운 콘크리트 벽과 자갈은 자연적인 차폐를 제공합니다.
복도에는 추가 중성미자, 우주 광선 및 기타 입자를 차단하기 위해 대형 물 탱크가 장착되어 있습니다. 그러나 다른 실험과 달리, COHERENT 검출기는 다른 원자의 핵에 충돌하는 중성미자의 흔적을 찾습니다. 이를 위해이 팀은 복도에 요오드화 세슘 신틸 레이터 결정에 의존하는 검출기를 장착했으며, 중성미자 상호 작용에 의해 야기되는 빛 신호의 중요성을 높이기 위해 나트륨도 사용했다.
시카고 대학교 (University of Chicago) 물리학 자 후안 칼라 (Juan Collar)는 SNS에서 사용되는 검출기를 만드는 설계 팀을 이끌었습니다. 그가 설명했듯이, 이것은 더 비싸고 거대한 탐지기를 없애는 "기본으로 돌아 가기"접근 방식이었습니다.
“이것은 아마도 1 세기 전부터 사용 가능한 가장 보행자 종류의 방사선 검출기입니다. 소듐 도핑 된 세슘 요오 다이 드는 작은 '핸드 헬드'코 히어 런트 중성미자 검출기로 작동하는 데 필요한 모든 특성을 통합합니다. 더 자주는 더 적습니다.”
실험과 SNS의 정교함 덕분에 연구원들은 중성 Z 보손의 교환을 통해 중성미자가 쿼크에 결합 할 수 있는지 확인할 수있었습니다. CEvNS (Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering)로 알려진이 프로세스는 1973 년에 처음으로 예측되었습니다. 그러나 지금까지는 어떠한 실험이나 연구팀도이를 확인할 수 없었습니다.
Jason Newby가 지적했듯이 기존 시설의 정교함 덕분에 실험이 크게 성공했습니다. “SNS 중성미자의 에너지는이 실험을 위해 거의 완벽하게 조정되어 검출 가능한 신호를 생성 할 수있을 정도로 크지 만 일관성 조건을 활용할 수있을 정도로 작습니다.”라고 그는 말했다. "상호 작용의 유일한 흡연 총은 하나의 핵에 부여 된 적은 양의 에너지입니다."
중성미자 (SNS 중성자 빔과 같은)도 펄스 화 되었기 때문에이 데이터는 이전 실험보다 더 깨끗했습니다. 이것은 배경 신호로부터 신호를 쉽게 분리 할 수있게 해주 었으며, 이는 원자로에 의해 생성되는 것과 같은 정상 상태 중성미자 소스에 비해 이점을 제공했다.
이 팀은 또한 뮤온 중성미자, 뮤온 항 중성미자 및 전자 중성미자를 포함하는 중성미자의 세 가지“맛”을 발견했습니다. 뮤온 중성미자가 순식간에 출현 한 반면, 다른 것들은 몇 마이크로 초 후에 감지되었다. 이로부터 COHERENT 팀은 CEvNS 이론뿐만 아니라 입자 물리학의 표준 모델을 검증했습니다. 그들의 발견은 또한 천체 물리학과 우주론에 영향을 미친다.
듀크 대학교 물리학 자 케이트 숄 버그 (Kate Scholberg)와 코헤 렌트의 대변인은 다음과 같이 설명했다.
“거대한 별이 무너지고 폭발 할 때 중성미자는 거대한 에너지를 별의 봉투에 버립니다. 공정을 이해하면 이러한 극적인 사건이 어떻게 발생하는지 이해하는 데 도움이됩니다… COHERENT의 데이터는 전 세계 실험에 의한 중성미자 특성 측정의 해석에 도움이됩니다. 또한 핵의 구조를 더 잘 이해하기 위해 코 히어 런트 산란을 사용할 수 있습니다.”
결과를 더 확인할 필요는 없지만, COHERENT 연구자들은 별개의 속도 (공정의 또 다른 특징)에서 일관된 중성미자 상호 작용을 관찰하기 위해 추가 측정을 수행 할 계획입니다. 이를 통해 CEvNS의 본질에 대한 지식과 본질적인 자기와 같은 다른 기본 중성미자 특성에 대한 지식을 넓히기를 희망합니다.
이 발견은 입자 물리학의 표준 모델과 빅뱅 우주론 모두의 측면을 검증한다는 점에서 그 자체로 확실히 인상적이었습니다. 그러나이 방법이 더 깨끗한 결과를 제공하고 다른 실험보다 훨씬 작고 비용이 덜 드는 기기에 의존한다는 사실은 매우 인상적입니다!
이 연구가 의미하는 바는 매우 광범위하며 앞으로 다른 발견이 무엇을 가능하게 하는지를 보는 것은 흥미로울 것입니다!
