Les scientifiques ont réussi à tromper le temps et à attraper une particule fantôme
Les physiciens russes et leurs collègues américains ont pu trouver la confirmation de près d'un demi-siècle de prédictions selon lesquelles la soi-disant «particule fantôme» des neutrinos interagit avec la matière ordinaire. Une étude a été menée qui peut aider à créer un appareil capable de voir à travers les réacteurs nucléaires, ainsi que de découvrir quels processus se produisent à l'intérieur des supernovae.
En 1974, une théorie a été exprimée parmi les scientifiques sur la possibilité d'une interaction d'une manière inconnue entre les neutrinos et la matière. Ces particules élémentaires, des millions de fois plus légères qu'un électron, peuvent librement traverser les planètes. Les collisions avec les noyaux atomiques se produisent périodiquement et les neutrinos interagissent avec certains neutrons et protons. Mais il y a quatre décennies, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'interaction entre le neutrino et le noyau dans son ensemble était possible. Ce mécanisme est appelé diffusion cohérente des neutrinos sur les noyaux. Il a été proposé comme l'un des composants du modèle standard des interactions électrofaible, mais n'a pas été confirmé expérimentalement jusqu'à présent.
L'interaction électrofuite est une description générale de plusieurs interactions fondamentales - électromagnétiques et faibles. Il est généralement admis qu'après que l'Univers a atteint une température d'environ 1015 kelvin (et cela s'est produit presque immédiatement après le Big Bang), ces interactions formaient un tout. Les forces faibles, contrairement aux forces électromagnétiques, se manifestent à une échelle beaucoup plus petite par rapport à la taille du noyau atomique. Ils assurent la désintégration bêta du noyau, dans laquelle il est possible de libérer non seulement des neutrinos, mais aussi des antineutrinos. Dans le même temps, selon la théorie de l'interaction électrofaible, non seulement un neutrino apparaît, mais aussi son interaction avec la matière, la matière.
La théorie dit que si un processus d'interaction se produit entre le neutrino et le noyau en raison d'une diffusion cohérente, alors de l'énergie est libérée, qui est transférée au noyau via le boson Z, qui est le porteur d'une interaction faible. Il est très difficile de réparer ce processus, car la libération d'énergie est très insignifiante. Pour augmenter la probabilité de diffusion cohérente, des éléments lourds sont utilisés comme cibles, en particulier le césium, l'iode et le xénon. Dans le même temps, plus le noyau est lourd, plus il est difficile de détecter ce recul, ce qui, à son tour, complique également la situation.
Les scientifiques ont proposé d'utiliser des détecteurs cryogéniques pour détecter la diffusion des neutrinos, capables en théorie d'enregistrer même l'interaction de la matière simple et de la matière noire. Un détecteur cryogénique est une chambre très froide, avec une température juste un centième de degré au-dessus du zéro absolu, et qui capte la petite quantité de chaleur qui est libérée lors de la réaction des noyaux avec les neutrinos. Des cristaux de calcium ou de tungstate de germanium sont utilisés comme substrat; en outre, des dispositifs supraconducteurs, des liquides inertes ou des semi-conducteurs modifiés pourraient également jouer le rôle de détecteurs.
Après avoir effectué les calculs nécessaires, les chercheurs ont découvert que le candidat idéal pour la cible était l'iodure de césium avec des impuretés de sodium. Ce sont les cristaux de cette substance qui sont devenus la base du petit détecteur (son poids n'était que de 14 kilogrammes et sa taille était de 10x30 centimètres). Ce détecteur a été installé à la source de neutrons SNS, située dans l'État américain du Tennessee, au Oak Ridge National Laboratory. Le détecteur a été placé dans un tunnel blindé avec du béton et du fer, à environ deux douzaines de mètres de la source, qui reproduit les faisceaux de neutrons, mais en même temps il y a un effet secondaire - les neutrinos.
Une source artificielle SNS, contrairement aux sources naturelles de neutrinos, en particulier l'atmosphère terrestre ou le Soleil, est capable de produire un faisceau de neutrinos suffisamment grand pour être capté par un détecteur, mais en même temps suffisamment petit pour provoquer une diffusion cohérente. Comme le notent les chercheurs, le détecteur et la source s'emboîtent presque parfaitement. Les molécules d'iodure de césium, lorsqu'elles interagissent avec des particules, sont converties en scintillateurs (en d'autres termes, elles réémettent de l'énergie sous forme de lumière). Et c'est cette lumière qui a été enregistrée. Selon le modèle standard, un neutrino muonique, un neutrino électronique et un antineutrino muonique sont entrés en interaction avec le cristal.
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Cette découverte est importante. Et le fait n'est pas du tout que les scientifiques ont une fois de plus confirmé l'image physique du monde, que décrit le modèle standard. Grâce à une diffusion cohérente, les scientifiques espèrent développer des outils et des techniques spécifiques de surveillance des réacteurs nucléaires qui aideraient à voir à travers les murs ce qui se passe à l'intérieur. De plus, une diffusion cohérente se produit à l'intérieur des étoiles à neutrons et ordinaires, ainsi que lors des explosions de supernovae. Ainsi, ce sera l'occasion d'en apprendre davantage sur leur structure et leur vie. Les scientifiques savent que les neutrinos présents dans les intestins des supernovae ont frappé la coque extérieure lors de l'explosion, formant une onde de choc qui déchire l'étoile en morceaux. En raison de la diffusion cohérente, une interaction similaire entre les neutrinos et la matière de l'étoile qui explose peut être expliquée.
En outre, dans la recherche de WIMP - des particules théoriques de matière noire - les chercheurs s'appuient sur la détection des rayonnements résultant de leur collision et de leurs noyaux atomiques. Il doit être distingué du fond qui crée une diffusion cohérente des neutrinos. Cela peut améliorer les données qui peuvent être obtenues sur la matière noire à l'aide de détecteurs cryogéniques et autres.
