Polowanie na duchy w kopalni
Miejscem tego przełomu jest laboratorium SNOLAB, ukryte dwa kilometry pod powierzchnią ziemi w kanadyjskim Sudbury. Działa ono w czynnej kopalni, gdzie gruba warstwa skał stanowi naturalną tarczę przed wszechobecnym promieniowaniem kosmicznym oraz innymi zakłóceniami, które na powierzchni całkowicie zagłuszyłyby delikatny sygnał poszukiwanych cząstek. To tutaj znajduje się detektor SNO+, wypełniony specjalnym płynem scyntylacyjnym, który rejestrował niezwykłe zdarzenia. Neutrina to prawdziwi mistrzowie ucieczki. Pozbawione ładunku elektrycznego, z niezwykle małym prawdopodobieństwem wchodzą w interakcję z inną materią. Większość z nich przemierza całą planetę, a nawet cały wszechświat, nie pozostawiając żadnego śladu. Dlatego ich detekcja wymaga nie tylko potężnej osłony, ale także niezwykle czułej aparatury i sprytnej metody analizy.
Czytaj też: Ziemia z ukrytym ogonem. Co ciągnie się za naszą planetą w kosmosie?
Kluczem do sukcesu okazała się metoda zwana opóźnioną koincydencją. Naukowcy nie szukali pojedynczego zdarzenia, lecz charakterystycznej pary błysków światła w detektorze. Pierwszy pojawia się w chwili, gdy neutrino zderza się z jądrem węgla-13, przekształcając je w azot-13 i wybijając elektron. Drugi, następujący po mniej więcej dziesięciu minutach, pochodzi już od rozpadu radioaktywnego nowo powstałego, niestabilnego azotu. Ta specyficzna sekwencja, niczym odcisk palca, pozwoliła odsiać przypadkowy szum od prawdziwego sygnału. Eksperyment wykorzystywał ponad 5,7 tony naturalnie występującego węgla-13, który stanowił cel dla neutrin. Po 231 dniach zbierania danych, naukowcy zarejestrowali 5,6 takich podwójnych zdarzeń. Liczba ta znakomicie zgadza się z teoretycznymi przewidywaniami, które opiewały na 4,7 zdarzenia. Osiągnięte znaczenie statystyczne na poziomie 4,2 sigma jest w świecie fizyki uznawane za solidny dowód.
Uchwycenie tej interakcji to niezwykłe osiągnięcie. Pomimo rzadkości izotopu węgla, udało nam się zaobserwować jego interakcję z neutrinami, które narodziły się w jądrze Słońca i przebyły ogromną odległość, by dotrzeć do naszego detektora – relacjonuje Gulliver Milton, członek zespołu badawczego
Cały proces jest idealnym przykładem przemiany jądrowej. Neutrino elektronowe oddziałuje z węglem-13, tworząc azot-13 i elektron. Nowopowstały izotop azotu jest jednak radioaktywny i po średnio dziesięciu minutach rozpada się, emitując pozyton i kolejne neutrino, co detektor rejestruje jako drugi błysk.
Noblowska tradycja i wpływ na naukę
Detektor SNO+ jest następcą słynnego eksperymentu SNO, którego wyniki przyniosły w 2015 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki dla Arthura B. McDonalda. Tamten projekt rozwiązał tzw. problem neutrin słonecznych, udowadniając, iż cząstki te w trakcie podróży ze Słońca na Ziemię oscylują, zmieniając swoją tożsamość pomiędzy trzema rodzajami (elektronowym, mionowym i taonowym). Obecne badania idą krok dalej. Nie tylko potwierdzają istnienie niezwykle rzadkiej reakcji, lecz również po raz pierwszy bezpośrednio mierzą tzw. przekrój czynny dla przejścia do stanu podstawowego azotu-13. To kluczowy parametr, który mówi fizykom, jak prawdopodobne jest zajście danej reakcji.
Czytaj też: Sterylne neutrino rozpracowane po dekadach badań. Fizycy wreszcie zakończyli eksperyment MicroBooNE
Neutrina słoneczne były fascynującym przedmiotem badań przez wiele lat. To niezwykłe, że nasze zrozumienie neutrin ze Słońca rozwinęło się na tyle, że możemy teraz wykorzystywać je po raz pierwszy jako „wiązkę testową” do badania innych rodzajów rzadkich reakcji atomowych – zauważa Steven Biller
Odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla kilku dziedzin nauki. Dla astrofizyków stanowi nowe narzędzie do zaglądania do wnętrza gwiazd, gdzie neutrina są jedynymi cząstkami mogącymi swobodnie je opuszczać, niosąc informację o procesach fuzyjnych. Dla fizyków cząstek elementarnych to kolejny element układanki pomagający zrozumieć właściwości samych neutrin oraz ich oddziaływania z innymi jądrami. Zmierzony średni przekrój czynny wyniósł 16,1 × 10^-43 cm² dla neutrin pochodzących z rozpadu boru-8 w Słońcu. Choć liczba ta jest nieprawdopodobnie mała, jej precyzyjne wyznaczenie to ogromny sukces metrologiczny. Metoda opóźnionej koincydencji, sprawdzona w tym eksperymencie, może w przyszłości posłużyć do poszukiwania innych, jeszcze rzadszych procesów jądrowych inicjowanych przez te nieuchwytne cząstki.