Rezervoar ispunjen najčišćom vodom, zakopan kilometrima ispod stijena u Ontariju u Kanadi, zabljesnuo je kada je jedva primjetna čestica prošla kroz njegove molekule.
Ovaj događaj bio je prvi put da je voda iskorištena za otkrivanje čestice poznate kao antineutrino, koja je emitirana iz nuklearnog reaktora udaljenog više od 240 kilometara.
Ovo otkriće, opisano u časopisu Physical Review Letters 2023. godine, bilo je prvi put da je isključivo voda korištena za detekciju antineutrina iz udaljenog reaktora, čime je otvoren put novoj generaciji jeftinije i sigurnije tehnologije za njihovo otkrivanje.
Zašto su neutrini toliko posebni
Kao jedne od najzastupljenijih čestica u svemiru, neutrini su neobične male čestice koje imaju veliki potencijal za otkrivanje dubljih spoznaja o svemiru.
Nažalost, gotovo su bez mase, nemaju električni naboj i gotovo uopće ne stupaju u interakciju s drugim česticama. Uglavnom prolaze kroz svemir i stijene kao da sva materija uopće ne postoji.
Postoji razlog zbog kojeg ih nazivaju česticama duhovima.
Antineutrini su antičestični parnjaci neutrina. Uobičajeno je da antičestica ima suprotan električni naboj od odgovarajuće čestice. Naprimjer, antičestica negativno nabijenog elektrona jeste pozitivno nabijeni pozitron.
Budući da neutrini nemaju električni naboj, naučnici ih mogu razlikovati samo po tome što se elektronski neutrino pojavljuje zajedno s pozitronom, dok se elektronski antineutrino pojavljuje zajedno s elektronom.
Elektronski antineutrini nastaju tokom nuklearnog beta raspada, vrste radioaktivnog raspada u kojem se neutron raspada na proton, elektron i antineutrino.
Jedan od tih elektronskih antineutrina zatim može stupiti u interakciju s protonom i proizvesti pozitron i neutron, reakciju poznatu kao inverzni beta raspad.
Veliki rezervoari ispunjeni tečnošću, obloženi fotomultiplikatorskim cijevima, koriste se za detekciju upravo ove vrste raspada.
Oni su dizajnirani da registriraju slabi sjaj Čerenkovljevog zračenja koje stvaraju nabijene čestice kada se kreću brže nego što se svjetlost može kretati kroz tečnost, slično zvučnom udaru koji nastaje pri probijanju zvučnog zida. Zbog toga su izuzetno osjetljivi na veoma slabu svjetlost.
Nuklearni reaktori proizvode ogromne količine antineutrina, ali oni imaju relativno nisku energiju, zbog čega ih je teško otkriti.
Tu na scenu stupa SNO+. Zakopan ispod više od dva kilometra stijena, to je najdublji podzemni laboratorij na svijetu. Sloj stijena predstavlja efikasnu zaštitu od ometanja uzrokovanog kosmičkim zrakama, što naučnicima omogućava da dobiju izuzetno precizne signale.
Danas je sferni rezervoar laboratorija, težak 780 tona, ispunjen linearnim alkilbenzenom, tečnim scintilatorom koji pojačava svjetlost. Međutim, 2018. godine, dok je postrojenje prolazilo kroz proces kalibracije, bio je ispunjen ultrapure vodom, a upravo se to privremeno stanje pokazalo naučno izuzetno vrijednim.
Analizirajući podatke prikupljene tokom 190 dana te faze kalibracije 2018. godine, saradnici projekta SNO+ pronašli su dokaze o inverznom beta raspadu.
Neutron nastao u tom procesu hvata jezgro vodika u vodi, što zatim proizvodi blagi bljesak svjetlosti na vrlo specifičnom energetskom nivou od 2,2 megaelektronvolta.
Detektori koji koriste vodu uglavnom imaju poteškoća u registriranju signala ispod 3 megaelektronvolta, ali je SNO+ ispunjen vodom mogao detektirati signale već od 1,4 megaelektronvolta. Time se postiže efikasnost od oko 50 posto pri detekciji signala od 2,2 megaelektronvolta, zbog čega je tim smatrao da vrijedi potražiti znakove inverznog beta raspada.
Analiza jednog mogućeg signala pokazala je da ga je najvjerovatnije proizveo antineutrino, uz nivo pouzdanosti od 3 sigma, odnosno vjerovatnoću od 99,7 posto.
Nemoguće direktno mjeriti neutrine
Rezultat je pokazao da bi se obična voda jednog dana mogla koristiti za praćenje rada nuklearnih reaktora s velikih udaljenosti.
"Fascinantno nam je da se čista voda može koristiti za mjerenje antineutrina iz reaktora i to na tako velikim udaljenostima", objasnio je 2023. godine fizičar Logan Lebanowski iz saradnje SNO+ i Univerziteta Kalifornija u Berkeleyju, kada su rezultati predstavljeni.
"Uložili smo veliki trud kako bismo iz 190 dana podataka izdvojili tek nekoliko signala. Rezultat je zaista zadovoljavajući."
Od tada je SNO+, koji sada radi u fazi korištenja scintilatora, ostvario neka od najpreciznijih mjerenja ponašanja neutrina tokom njihovog putovanja.
U decembru 2025. godine tim predvođen Univerzitetom Oxford koristio je isti detektor kako bi posmatrao kako solarni neutrini pretvaraju atome ugljika-13 u dušik-13 duboko pod zemljom, prateći dva povezana bljeska svjetlosti razdvojena nekoliko minuta, čime je potvrđena jedna od interakcija neutrina s najnižom energijom ikada izmjerenih.
"Koliko je nama poznato, ovi rezultati predstavljaju dosad najnižeenergetsko opažanje interakcije neutrina s jezgrama ugljika-13", rekla je istraživačica SNOLAB-a Christine Kraus.
Budući da je nemoguće direktno mjeriti neutrine, o njima još uvijek znamo veoma malo. Jedno od najvećih pitanja jeste jesu li neutrini i antineutrini zapravo ista čestica. Rijetka vrsta raspada, koja dosad nikada nije opažena, mogla bi dati odgovor na to pitanje. SNO+ i dalje traga za tim raspadom.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters.