Впервые зафиксировано упругое взаимодействие нейтрино и атомного ядра

При помощи самого маленького детектора нейтрино физикам удалось зарегистрировать когерентное упругое рассеяние нейтрино на атомном ядре. Этот процесс, теоретически предсказанный в 1974 году, играет важную роль в астрофизике, а также может быть использован для поисков отклонений от Стандартной модели физики частиц и удаленного мониторинга процессов внутри ядерных реакторов. Статья с описанием открытия опубликована в журнале Science.

Нейтрино — легкие незаряженные частицы, появляющиеся во многих ядерных реакциях, но очень слабо взаимодействующие с материей. Обычно изучением нейтрино занимаются огромные детекторы, такие как Kamiokande и IceCube, которые исследуют солнечные, земные и атмосферные частицы. На таких установках ищут процессы взаимодействия нейтрино с отдельными протонами или нейтронами в ядрах. Однако при подходящих значениях энергии нейтрино и массы ядра, возможен процесс взаимодействия со всем ядром в целом, в результате которого ядро испытывает крохотную отдачу.

«Энергия производимых установкой SNS (Spallation Neutron Source — источник нейтронов, образующихся при ядерном делении) в Национальной лаборатории Ок-Ридж практически идеально подходит для данного эксперимента — достаточно большая, чтобы произвести детектируемый сигнал, но достаточно маленькая для взаимодействия в когерентном режиме, — говорит физик Джейсон Ньюби. — Единственный результат такого взаимодействия — небольшая энергия, передаваемая отдельному ядру».

Для поиска данного феномена, физики сконструировали специальный детектор весом всего 14,5 килограмм. В качестве сцинтиллятора (светящегося в результате взаимодействия с излучением вещества) в нем используется кристалл йодида цезия, допированный натрием. Именно соответствие источника и детектора обеспечило успех регистрации. «Детектор создавался с учетом SNS, — говорит Хуан Коллар из Чикагского Университета. — SNS уникален не только как источник нейтронов, но и как источник нейтрино». Одной из выгодных особенностей этого прибора является импульсное испускание частиц, что позволяет легче отделить искомый сигнал от шума.

Теоретик, предсказавший существование явления когерентного рассеяния, Дэниэл Фридман писал: «Наше предложение может показаться актом высокомерия, потому что неизбежные ограничения на вероятность взаимодействия, разрешение и фон ставят непреодолимые экспериментальные трудности». К счастью, физик был слишком пессимистичен, и теперь его подтвержденная идея поможет исследовать фундаментальные взаимодействия, а также такие астрофизические процессы, как формирование нейтронных звезд, взрывы сверхновых.