Naučnici su po prvi put iskoristili vodu za otkrivanje antineutrina, čestica koje je inače vrlo teško otkriti. Zakopan pod kilometrima stijena u kanadskom Ontariju, spremnik najčišće vode bljesnuo je dok su jedva uočljive čestice probijale kroz njega. Riječ je o prvom korištenju vode za detekciju čestica poznatih kao antineutrini, a te su čestice došle iz nuklearnog reaktora udaljenog više od 240 kilometara. Sve se odigralo u najdubljoj laboratoriji.
To nevjerovatno otkriće obećava eksperimente s neutrinom i tehnologiju praćenja koja koristi jeftine, lako dostupne i sigurne materijale.
Neutrini i antineutrini
Neutrini su neke od najzastupljenijih čestica u svemiru, vrlo čudne i s puno potencijala za otkrivanje dubljih uvida u svemir. Neutrini gotovo nemaju masu, ne nose naboj i jedva da uopće stupaju u interakciju s drugim česticama. Uglavnom putuju svemirom i stijenama, kao da je sva materija bestjelesna, a to je i jedan od razloga zašto ih se naziva česticama duhovima.
Antineutrini su pak antičestični pandan neutrinima. Antičestica obično ima suprotan naboj od svog ekvivalenta čestice, pa je tako naprimjer antičestica negativno nabijenog elektrona, pozitivno nabijen pozitron. Budući da neutrini ne nose naboj, naučnici ih mogu razlikovati samo na temelju činjenice da će se elektronski neutrino pojaviti uz pozitron, dok se elektronski antineutrino pojavljuje s elektronom.
Kako nastaju antineutrini i kako ih otkriti?
Elektronski antineutrini emitiraju se tokom nuklearnog beta raspada, vrste radioaktivnog raspada u kojem se neutron raspada u proton, elektron i antineutrino. Jedan od tih elektronskih antineutrina tada može stupiti u interakciju s protonom i proizvesti pozitron i neutron, u reakciji poznatoj kao inverzni beta raspad.
Veliki spremnici punjeni tekućinom obloženi fotomultiplikatorskim cijevima koriste se za otkrivanje te posebne vrste nuklearnog raspadanja. Dizajnirani su za hvatanje slabog sjaja Čerenkovljevog zračenja, koje stvaraju nabijene čestice koje se kreću brže nego što svjetlost može putovati kroz tekućinu. Zbog toga su vrlo osjetljivi na vrlo slabo svjetlo.
Posebna laboratorija za detekciju
Nuklearni reaktori zapravo proizvode antineutrine u nevjerovatnim količinama, ali ti antineutrini imaju relativno nisku energiju pa ih je vrlo teško otkriti. No, tu nastupa SNOLAB-ov SNO+ eksperiment. Zakopan ispod više od 2 kilometra stijena, to je najdublji podzemni laboratorij na svijetu. Stjenoviti štit iznad njega pruža učinkovitu prepreku smetnjama kozmičkih zraka, omogućujući naučnicima dobivanje izuzetne razlučivosti.
Taj je laboratorijski sferični spremnik od 780 tona koji je danas napunjen linearnim alkilbenzenom, tekućim scintilatorom koji pojačava svjetlost, a 2018. godine, dok je bio na kalibraciji, bio je napunjen ultračistom vodom. Naučnici su proučavajući 190 dana vrijednih podataka prikupljenih tokom te faze kalibracije, pronašli dokaz obrnutog beta raspada. Neutron proizveden tokom tog procesa biva zarobljen od strane vodikove jezgre u vodi, koja zauzvrat proizvodi slabašan bljesak svjetlosti, na vrlo specifičnom energetskom nivou od 2,2 megaelektronvolta (MeV).
Istraživanje vezano za to otkriće objavljeno je u časopisu Physical Review Letters.
Moguća primjena detektora na bazi vode
Vodeni čerenkovljevi detektori općenito teško detektiraju signale ispod 3 MeV-a, ali je SNO+ ispunjen vodom uspio otkriti signale na nivou do 1,4 MeV-a. To daje učinkovitost od oko 50 posto za detekciju signala na 2,2 megaelektronvolta, pa je tim mislio da se isplati potražiti znakove inverznog beta raspada. Analizom signala kandidata utvrđeno je da su ih vjerovatno proizveli anatineutrini, s nivoom pouzdanosti od 3 sigma, što znači vjerovatnost od visokih 99,7 posto.
Taj rezultat sugerira da bi se detektori na bazi vode mogli koristiti za praćenje proizvodnje energije nuklearnih reaktora.
Potraga za dosad neviđenim
U međuvremenu, SNO+ se koristi za bolje razumijevanje neutrina i antineutrina. Budući da je neutrine nemoguće direktno izmjeriti, nauka zapravo ne zna puno o njima. Jedno od najvećih pitanja glasi, jesu li neutrini i antineutrini potpuno iste čestice? Rijetko i dosad neviđeno nuklearno raspadanje dalo bi odgovor na to pitanje pa SNO+ trenutno traži baš takav nuklearni raspad.
Intrigira nas da se čista voda može koristiti za mjerenje antineutrina iz reaktora i na tako velikim udaljenostima. Uložili smo značajan trud da izvučemo pregršt signala iz 190 dana podataka. Rezultat je zadovoljavajući, kaže fizičar Logan Lebanowski iz kolaboracije SNO+ i Kalifornijskog univerziteta Berkeley.
