Zakopan pod kilometrima stijena u kanadskom Ontariju, spremnik najčišće vode bljesnuo je dok su jedva uočljive čestice probijale kroz njega. Riječ je o prvom korištenju vode za detekciju čestica poznatih kao antineutrini, a te su čestice došle iz nuklearnog reaktora udaljenog više od 240 kilometara. To nevjerojatno otkriće obećava eksperimente s neutrinom i tehnologiju praćenja koja koristi jeftine, lako dostupne i sigurne materijale.
Neutrini i antineutrini
Neutrini su neke od najzastupljenijih čestica u svemiru, vrlo čudne i s puno potencijala za otkrivanje dubljih uvida u svemir. Neutrini gotovo nemaju masu, ne nose naboj i jedva da uopće stupaju u interakciju s drugim česticama. Uglavnom putuju svemirom i stijenama, kao da je sva materija bestjelesna, a to je i jedan od razloga zbog kojih ih se naziva česticama duhovima.
Antineutrini su pak antičestični pandan neutrinima. Antičestica obično ima suprotan naboj od svog ekvivalenta čestice, pa je tako primjerice antičestica negativno nabijenog elektrona pozitivno nabijeni pozitron. Budući da neutrini ne nose naboj, znanstvenici ih mogu razlikovati samo na temelju činjenice da će se elektronski neutrino pojaviti uz pozitron, dok se elektronski antineutrino pojavljuje s elektronom.
Kako nastaju antineutrini i kako ih otkriti?
Elektronski antineutrini emitiraju se tijekom nuklearnog beta-raspada, vrste radioaktivnog raspada u kojem se neutron raspada u proton, elektron i antineutrino. Jedan od tih elektronskih antineutrina tada može stupiti u interakciju s protonom i proizvesti pozitron i neutron, u reakciji poznatoj kao inverzni beta-raspad.
Veliki spremnici punjeni tekućinom obloženi fotomultiplikatorskim cijevima koriste se za otkrivanje te posebne vrste nuklearnog raspadanja. Dizajnirani su za hvatanje slabog sjaja Čerenkovljeva zračenja, koje stvaraju nabijene čestice koje se kreću brže nego što svjetlost može putovati kroz tekućinu. Zbog toga su vrlo osjetljivi na vrlo slabo svjetlo.
Poseban laboratorij za detekciju
Nuklearni reaktori zapravo proizvode antineutrine u nevjerojatnim količinama, ali ti antineutrini imaju relativno nisku energiju, pa ih je vrlo teško otkriti. No tu nastupa SNOLAB-ov eksperiment SNO+. Zakopan ispod više od 2 kilometra stijena, to je najdublji podzemni laboratorij na svijetu. Stjenoviti štit iznad njega pruža učinkovitu prepreku smetnjama kozmičkih zraka, što znanstvenicima omogućuje dobivanje izuzetne razlučivosti.
Taj laboratorijski sferični spremnik od 780 tona danas je napunjen linearnim alkilbenzenom, tekućim scintilatorom koji pojačava svjetlost, a 2018. godine, dok je bio na kalibraciji, bio je napunjen ultračistom vodom. Znanstvenici su proučavajući 190 dana vrijednih podataka prikupljenih tijekom te faze kalibracije, pronašli dokaz obrnutog beta-raspada. Neutron proizveden tijekom tog procesa biva zarobljen od vodikove jezgre u vodi, koja zauzvrat proizvodi slabašan bljesak svjetlosti, na vrlo specifičnoj energetskoj razini od 2,2 megaelektronvolta (MeV).
Istraživanje vezano za to otkriće objavljeno je u časopisu Physical Review Letters.
Moguća primjena detektora na bazi vode
Vodeni Čerenkovljevi detektori općenito teško detektiraju signale ispod 3 MeV-a, ali je SNO+ ispunjen vodom uspio otkriti signale na razini do 1,4 MeV-a. To daje učinkovitost od oko 50 posto za detekciju signala na 2,2 megaelektronvolta, pa je tim mislio da se isplati potražiti znakove inverznog beta-raspada. Analizom signala kandidata utvrđeno je da su ih vjerojatno proizveli anatineutrini, s razinom pouzdanosti od 3 sigma, što znači vjerojatnost od visokih 99,7 posto.
Taj rezultat sugerira da bi se detektori na bazi vode mogli koristiti za praćenje proizvodnje energije nuklearnih reaktora.
Potraga za dosad neviđenim
U međuvremenu, SNO+ se koristi za bolje razumijevanje neutrina i antineutrina. Budući da je neutrine nemoguće izravno izmjeriti, znanost zapravo ne zna puno o njima. Jedno od najvećih pitanja glasi - jesu li neutrini i antineutrini potpuno iste čestice? Rijetko i dosad neviđeno nuklearno raspadanje dalo bi odgovor na to pitanje pa SNO+ trenutačno traži baš takav nuklearni raspad.
Intrigira nas da se čista voda može koristiti za mjerenje antineutrina iz reaktora i na tako velikim udaljenostima. Uložili smo znatan trud da izvučemo pregršt signala iz 190 dana podataka. Rezultat je zadovoljavajući, kaže fizičar Logan Lebanowski iz kolaboracije SNO+ i Kalifornijskog sveučilišta Berkeley.
Izvor: Science Alert
