В подземной лаборатории SNOLAB, расположенной на глубине 2-х километров в бывшей никелевой шахте под канадским городом Садбери, ученые совершили прорыв в изучении одной из самых ускользающих частиц во Вселенной. Они увидели, как нейтрино напрямую взаимодействует с ядром атома, меняя один химический элемент на другой. Это первый экспериментальный взгляд на слабое ядерное взаимодействие.
Детектор SNO+ представляет собой гигантский шар из акрилового пластика, заполненный 800 тоннами жидкого органического сцинтиллятора - вещества, способного светиться при взаимодействии с заряженными частицами. Вся конструкция окружена 9000 фотоумножительных трубок, которые улавливают самые слабые вспышки света. Только благодаря подземному расположению, скрытому от космических вспышек и фонового излучения, можно фиксировать слабые сигналы нейтрино.
SNO+ - это наследник знаменитого детектора SNO (Sudbury Neutrino Observatory), который в начале 2000-х годов разрешил "проблему солнечных нейтрино", доказав, что они осциллируют - меняют свой тип по пути от Солнца к Земле. За это открытие Артур Б. Макдональд, руководитель эксперимента, получил Нобелевскую премию по физике в 2015 году, а в настоящее время является соавтором нового исследования.
Суть открытия проста: солнечное нейтрино сталкивается с ядром изотопа углерод-13 и вызывает в нем ядерную трансмутацию, превращая его в азот-13, радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 10 минут. Этот процесс называется обратным бета-распадом и является чистым проявлением слабого взаимодействия, одной из четырёх фундаментальных сил природы.
Как это происходит:
- Нейтрино (электронного типа, как излучаемые Солнцем) сталкивается с нейтроном в ядре углерода-13
- Нейтрино превращается в протон, испуская электрон
- Атомное ядро, изначально содержавшее 6 протонов и 7 нейтронов (C-13), теперь содержит 7 протонов и 6 нейтронов - это уже азот-13 (N13)
- Через несколько минут азот-13 распадается обратно в углерод -13, испуская позитрон и нейтрино
Чтобы отличить это редкое явление от фонового шума, физики использовали метод "запаздывающих совпадений":
- 1-я вспышка: момент столкновения нейтрино с ядром и образования азота-13
- 2-я вспышка: распад азота-13 спустя несколько минут
Наличие обеих вспышек с нужными временным интервалом и энергией - почти неоспоримое доказательство реального события.
Анализ данных с мая 2022 по июнь 2024 года выявил 5,6 события при ожидаемых 4,7, что подтверждает статистическую значимость открытия.
Фиксация этого взаимодействия - экстраординарное достижение, - говорит Гулливер Милтон, ведущий автор исследования. - Несмотря на редкость изотопа углерода-13 в природе (всего 1,1% от всего углерода), нам удалось уловить как солнечные нейтрино, родившиеся в ядре Солнца 8 минут назад, меняют атомы в нашем детекторе.
Интересные факты:
- Углерод-13 - единственный из природных изотопов углерода, способный участвовать в таком взаимодействии с нейтрино
- Хотя через каждый квадратный сантиметр Земли ежесекундно проходит около 65 миллиардов солнечных нейтрино, лишь одно из них в жизни взаимодействует с атомом в человеческом теле
- Весь объём детектора SNO+ содержит около 10 килограммов углерода-13 - и именно с этими атомами и контактировали нейтрино
- Для сравнения: если бы детектор был заполнен водой (как его предшественник SNO), реакция с углеродом была бы невозможна - именно замена воды на органический сцинтиллятор (богатый углеродом) сделала эксперимент возможным
Нужно оборудование?
Звоните: 8 (800) 777-23-97
Точных Вам измерений!