物理学者は、ニュートリノと呼ばれるとらえどころのない亜原子粒子が、40 年以上前に予測されていた方法で原子核にピンを打っていることを発見しましたが、これまで観測されたことはありませんでした。さらに驚くべきことに、彼らは数千トンの重さの巨大な検出器ではなく、ミルク ジョッキほどの大きさの装置で散乱効果を発見しました。この進歩により、核施設を監視したり、たとえばプルトニウムの生産で生成されたニュートリノを嗅ぎ分けたりできるポータブル ニュートリノ検出器への道が開かれる可能性があります。
「43 年前に私が予測したことが実験的に実現されたことは、本当にスリル満点です」と、ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学の名誉理論物理学者である Daniel Freedman は言います。ニュートリノ核散乱。カリフォルニア州バークレーにあるローレンス・バークレー国立研究所の実験者であるナタリー・ローは、今回の観測は原子核やニュートリノに関する物理学者の理解を変えるものではないと述べているが、彼はこの研究には関与していない。それでも彼女は、「この小さな信号を掘り起こすのは大変なことです」と述べています。
ニュートリノには、電子、ミューオン、タウの 3 種類があり、いくつかの方法で原子核と相互作用します。たとえば、ミューニュートリノは原子核内の中性子に衝突し、中性子を陽子に変換すると同時に、それ自体がミューオン (電子のより重いいとこ) に変化する、いわゆる「準弾性散乱」を起こすことができます。または、ニュートリノは単純な「弾性散乱」でそのタイプを保持しながら、原子核から単純に跳ね返ることができます。このような相互作用はすべて非常にまれですが、ニュートリノを観測する唯一の手段を提供します。毎秒太陽から地球の表面のすべての平方メートルを通過する数兆個の電子ニュートリノのほんの数個を検出するために、物理学者は数キロトンの重さの検出器を配置し、その中の原子核の数を増やし、ニュートリノが 1 つに衝突する可能性を高めます。原則として、ニュートリノ相互作用の確率は、核内の陽子と中性子の数とともに増加します。
しかし、フリードマンは、規則には例外が必要であることに気付きました。他の量子粒子と同様に、ニュートリノは、粒子のエネルギーが増加するにつれて波長が短くなる波のように振る舞います。ニュートリノのエネルギーが高い場合、ニュートリノは単一の陽子または中性子と相互作用します。しかし、低エネルギーのニュートリノが原子核の幅と同じくらい長い波長を持っている場合、すべての陽子と中性子と協調して相互作用します。その「コヒーレンス」のおかげで、ニュートリノが原子核から跳ね返る確率は、大まかに言えば、陽子と中性子の数の 2 乗で増加し、相互作用の数が大幅に増加します。
つまり、低エネルギーではより多くの弾性散乱があるはずであり、何十年もの間、物理学者は原子炉での実験でそれを見つけようとしてきました.しかし、落とし穴があります。唯一の信号は原子核の反動であり、低エネルギーのニュートリノは微弱で検出しにくいキックしか与えません。ノースカロライナ州ダーラムにあるデューク大学の物理学者、ケイト・ショルバーグは、「ピンポン球でボウリングのボールを打つようなものです。 「ボウリングのボールは簡単に打てますが、あまり速く転がりません。」
それにもかかわらず、ショルバーグと COHERENT 共同研究の他の 80 人のメンバーは、Science で今日報告されているように、コヒーレント ニュートリノ散乱を検出しました。 .そのために、彼らは、ナトリウムをドープしたヨウ化セシウムの結晶で構成され、重量がわずか 14.6 キログラムの高感度検出器を採用しました。何かが結晶内で反動する原子核を送ると、ほんの少しでも、結晶は小さいが検出可能な閃光を生成します。ニュートリノを生成するために、COHERENT の物理学者は、テネシー州のオークリッジ国立研究所にある破砕中性子源 (SNS) に依存していました。
SNS は、材料科学研究のために世界で最も強力な中性子ビームを生成しますが、副産物として大量のニュートリノも放射します。ニュートリノは、原子炉からのニュートリノよりもわずかに高いエネルギーを持っているため、SNS は実験に最適なソースであると Scholberg 氏は述べています。ニュートリノのエネルギーはまだコヒーレント散乱を生成するのに十分低いですが、結晶内で検出可能な信号を生成するのに十分高いと彼女は言います. 461 日以上のデータを使用して、研究者はコヒーレント散乱の予測とよく一致する 134 のニュートリノ散乱イベントを観測しました。
COHERENT チームは他のチームを打ち負かしました。その中には、ドイツのミュンヘンにあるマックス・プランク物理学研究所の物理学者であり名誉所長であるレオ・ストドルスキーが率いるグループが含まれており、はるかに低いエネルギーで核の反動を検出できる極低温検出器を開発しています。彼らは、原子炉でコヒーレント散乱を検出したいと考えています。 「私の同僚と私は、何か問題があることを期待して、この論文を調べてきました」と Stodolsky は冗談を言います。 「しかし、何も見つかりませんでした。」
新しい観測は、核物理学や素粒子物理学の教科書を書き直すものではありません。実際、コヒーレント散乱が存在しないことを物理学者が何らかの形で証明していれば、それははるかに革新的だったでしょう、とフリードマンは言います。
コヒーレント散乱の真の意義は、小型のポータブル ニュートリノ検出器の潜在的なアプリケーションにあるかもしれない、と Stodolsky は言います。このような検出器は、原子炉の安全とセキュリティを監視するために使用される可能性があります。たとえば、ニュートリノ流束の詳細から、観測者は原子炉がプルトニウムの生成に使用されているかどうかを判断できるかもしれない、と彼は言う.
しかし、スリム化された検出器がすべての大規模なニュートリノ実験で機能するとは限りません。たとえば、2 週間前、物理学者は深層地下ニュートリノ実験 (DUNE) の発掘を開始しました。これはサウスダコタ州にある 70,000 トンの検出器で、1,300 キロメートル離れたイリノイ州の粒子加速器から発射されたニュートリノを研究します。 DUNE は、粒子が移動するにつれて 3 種類のニュートリノがどのように互いに変化するかを研究します。これはニュートリノ混合と呼ばれる現象であり、最終的には、宇宙が大量の物質を生成し、反物質がほとんど生成されなかった理由を説明するのに役立つ可能性があります。 DUNE をコヒーレント散乱に基づくより小さな検出器に置き換える見込みはありません。なぜなら、この相互作用では、どのタイプのニュートリノが原子核から跳ね返ったかがわからないためです。これは、ニュートリノの混合を研究するための重要な情報です。
