Eksperyment CONUS+ łamie schematy
Typowe badania neutrin wymagają gigantycznej infrastruktury. Nie ma w tym nic dziwnego, wszak te cząstki niemal nie oddziałują z materią. Jak by nie patrzeć, przez każdy centymetr kwadratowy Ziemi w każdej sekundzie przelatuje około 60 miliardów neutrin słonecznych.
Autorzy eksperymentu CONUS+, prowadzonego w szwajcarskiej elektrowni jądrowej Leibstadt, zastosowali zupełnie inną strategię. Zamiast stawiać na skalę, naukowcy wykorzystali zjawisko koherentnego sprężystego rozpraszania neutrin na jądrach atomowych (CEvNS). Polega ono na oddziaływaniu neutrin z całymi jądrami, a nie pojedynczymi cząstkami elementarnymi.
Detektory z germanu umieszczono zaledwie 20,7 metra od rdzenia reaktora, gdzie gęstość strumienia neutrin przekracza 10 bilionów na centymetr kwadratowy na sekundę. Podczas 119 dni pomiarów między jesienią 2023 a latem 2024 roku zarejestrowano dokładnie 395 sygnałów – co idealnie zgadzało się z przewidywaniami teoretycznymi. Trzeba przyznać, że precyzja robi wrażenie, choć pewnie minie trochę czasu, zanim nowa metoda zejdzie pod strzechę.
Kryształy germanu w roli głównej
Sercem systemu są detektory półprzewodnikowe z ultraczystych kryształów germanu. Ich niezwykła czułość pozwala wychwycić zdarzenia o energii zaledwie 160 eV – to zaledwie dwie rzędy wielkości więcej niż minimalna energia potrzebna do wytworzenia pary elektron-dziura w półprzewodniku.
Choć zjawisko CEvNS przewidziano teoretycznie już w 1974 roku, pierwsza eksperymentalna obserwacja nastąpiła dopiero w 2017 roku w akceleratorze cząstek. CONUS+ poszedł o krok dalej – po raz pierwszy zarejestrował ten efekt przy reaktorze jądrowym z istotnością statystyczną 3,7 sigma.
Dla zobrazowania precyzji pomiaru: to jak próba wykrycia odbicia piłeczki pingpongowej od jadącego samochodu poprzez pomiar drgań karoserii. W tym przypadku „samochodami” były jądra germanu, a „piłeczkami” – antyneutrina reaktorowe.
Co dalej z tym odkryciem?
Wyniki potwierdzają przewidywania Modelu Standardowego oraz teorię Lindharda dotyczącą tłumienia w germanie. Co istotne, obalają jednocześnie niektóre wcześniejsze spekulacje o odstępstwach od ustalonych modeli.
W ten sposób pomyślnie potwierdziliśmy czułość eksperymentu CONUS+ i jego zdolność do detekcji rozpraszania antyneutrin na jądrach atomowych — Dr Christian Buck, jeden z autorów badania
Zespół nie spoczął na laurach – jesienią 2024 roku zainstalowano większe detektory o masie 2,4 kg każdy. To powinno pozwolić na jeszcze dokładniejsze pomiary, choć na spektakularne odkrycia wykraczające poza obecną fizykę pewnie przyjdzie nam poczekać.
Praktyczne perspektywy
Technologia opracowana w CONUS+ może znaleźć zastosowanie w monitorowaniu pracy reaktorów jądrowych. Miniaturowe, przenośne detektory neutrin potencjalnie umożliwią:
- Śledzenie mocy cieplnej reaktorów
- Kontrolę stężeń izotopów paliwowych
- Wykorzystanie w systemach bezpieczeństwa elektrowni
- Prowadzenie badań podstawowych w fizyce cząstek
Badania opublikowane w periodyku Nature mogą zwiastować nowy rozdział w fizyce neutrin. Po latach budowania coraz większych detektorów, okazuje się, że czasem kluczem jest nie rozmiar, lecz innowacyjne podejście. Trzykilogramowe urządzenie otwiera drogę do zastosowań, o których niedawno nikt poważnie nie myślał. Szkoda tylko, że na realne wdrożenia przyjdzie nam pewnie jeszcze trochę poczekać.
W nauce często liczy się nie rozmiar instrumentów, lecz pomysłowość badaczy. Ten niewielki detektor pokazuje, że czasem mniej znaczy więcej – zwłaszcza gdy chodzi o łapanie najbardziej nieuchwytnych cząstek we wszechświecie.