Մութ նյութի դետեկտորը գրանցել է երբևէ հայտնաբերված ամենաթույլ նեյտրինոները

Մութ նյութի որոնման համար կառուցված դետեկտորը անսպասելիորեն դարձել է մեկ այլ դժվար որսալի մասնիկի ուսումնասիրման գործիք։ XENON համագործակցությունը հայտարարել է, որ իր XENONnT փորձը առաջին անգամ հայտնաբերել է ցածր էներգիայի արևային նեյտրինոների ցրումը էլեկտրոնների վրա։

Դետեկտորը գտնվում է Իտալիայի Գրան Սասո լեռան տակ՝ մոտ 1400 մետր խորության վրա։ Գիտնականները կարողացել են հայտնաբերել մոտ 17 կէՎ էներգիայով նեյտրինոներ՝ սա այս տեսակի փորձերում երբևէ գրանցված ամենացածր էներգիան է, ըստ Interactions-ի։

Ազդանշանն ունի 5 սիգմա վիճակագրական նշանակություն, ինչը նշանակում է, որ այն պատահական տատանում լինելու հավանականությունը չափազանց փոքր է։ Ազդանշանը գերակշռում են այսպես կոչված pp նեյտրինոները՝ մասնիկներ, որոնք առաջանում են Արևի ներսում պրոտոն-պրոտոնային ռեակցիաներից։ Այս ռեակցիաներն են, որ սնուցում են մեր աստղը, և pp նեյտրինոները կազմում են արևային նեյտրինոների հոսքի մեծ մասը։

Մութ նյութի դետեկտորը դառնում է նեյտրինոների աստղադիտարան

XENONnT-ը սկզբում կառուցվել էր բոլորովին այլ նպատակով՝ WIMP-երի (թույլ փոխազդող զանգվածային մասնիկների) որոնման համար։ Տարիներ շարունակ WIMP-երը համարվում էին մութ նյութի գլխավոր թեկնածուներից մեկը, որը, ըստ գնահատումների, կազմում է տիեզերքի ողջ նյութի մոտ 85%-ը։

Փորձի սիրտը հսկայական խցիկ է, որը պարունակում է 5,9 տոննա գերմաքուր հեղուկ քսենոն։ Երբ մասնիկը փոխազդում է քսենոնի հետ, այն առաջացնում է թույլ լույսի բռնկումներ և իոնացման ազդանշաններ։ Գիտնականները կարող են օգտագործել այս ազդանշանները՝ որոշելու, թե ինչ է տեղի ունեցել դետեկտորի ներսում։

Չափազանց հազվադեպ իրադարձությունները հայտնաբերելու համար հետազոտողները ստիպված էին նվազեցնել ռադիոակտիվ աղտոտիչներից, հատկապես ռադոնից, եկող ֆոնային ճառագայթումը գրեթե աննշան մակարդակի։ Նրանք դա արեցին դետեկտորում օգտագործվող նյութերի խիստ ստուգման և մասնագիտացված կրիոգեն թորումային համակարգի միջոցով։

Արդյունքում XENONnT-ը դարձավ այնքան զգայուն, որ կարողացավ հայտնաբերել արևային նեյտրինոների փոխազդեցությունները, որոնք մինչ այդ ոչ մի այլ դետեկտոր չէր կարողացել դիտարկել։

«Սա կարևոր հանգրվան է ցածր էներգիայի նեյտրինոների ֆիզիկայի ուսումնասիրման ուղղությամբ», — ասել է Նագոյայի համալսարանի Մասատոշի Կոբայաշին, ով ղեկավարել է տվյալների վերլուծությունը։

Որքան ավելի զգայուն է դետեկտորը, այնքան ավելի մոտ ենք «նեյտրինոային մշուշին»

Նոր արդյունքը հիմնվում է XENONnT-ի մեկ այլ կարևոր ձեռքբերման վրա։ 2024 թվականին փորձը դարձավ առաջինը, որ հայտնաբերեց արևային նեյտրինոների համահունչ առաձգական ցրումը ատոմային միջուկների վրա։ Վերջին հայտնագործությունը գիտնականներին տալիս է նեյտրինոները դիտարկելու ևս մեկ եղանակ և ցույց է տալիս, թե որքան զգայուն է դարձել դետեկտորը։

Սակայն այդ զգայունությունն ունի նաև իր բացասական կողմը: Քանի որ դետեկտորները ավելի լավ են որսում թույլ ազդանշանները, արևային նեյտրինոները գնալով ավելի նկատելի են դառնում նրանց տվյալներում։ Սա խնդիր է մութ նյութի որոնումների համար, քանի որ նեյտրինոները կարող են առաջացնել ազդանշաններ, որոնք նման են այն փոխազդեցություններին, որոնք հետազոտողները փորձում են գտնել։

Գիտնականները այս հիմնարար սահմանափակումը անվանում են «նեյտրինոային մշուշ»։ Ինչ-որ պահի նեյտրինոային ֆոնը այնքան նշանակալի կդառնա, որ այն հնարավոր մութ նյութի ազդանշանից տարբերելը չափազանց դժվար կլինի։

«Այս արդյունքը ցույց է տալիս, որ մենք իսկապես մոտենում ենք այն կետին, որտեղ նեյտրինոները դառնում են նշանակալի ֆոն», — Scientific American-ին ասել է Կոբայաշին։

Հաջորդ սերնդի դետեկտորները կորոնեն և՛ մութ նյութ, և՛ նեյտրինոներ

XENONnT-ով ձեռք բերված փորձը արդեն օգնում է ձևավորել հաջորդ խոշոր փորձը՝ XLZD-ն։ Պլանավորված հաջորդ սերնդի հեղուկ քսենոնային դետեկտորը մոտավորապես մեկ կարգով ավելի մեծ կլինի։

Ավելի մեծ դետեկտորը պետք է բարձրացնի հազվադեպ մութ նյութի փոխազդեցությունները հայտնաբերելու հնարավորությունները և միաժամանակ թույլ տա գիտնականներին շատ ավելի մեծ ճշգրտությամբ ուսումնասիրել արևային նեյտրինոները։

«Սա համոզիչ ապացույց է այն մասին, թե որքան հասուն է դարձել տեխնոլոգիան», — ասել է Չիկագոյի համալսարանի պրոֆեսոր և XENON համագործակցության անդամ Լուկա Գրանդին։

Այսպիսով, մութ նյութի որսը աստիճանաբար դառնում է նաև նեյտրինոների որս։ Եվ քանի որ այս փորձերը դառնում են ավելի զգայուն, ֆիզիկոսները մոտենում են հիմնարար սահմանափակմանը՝ այն կետին, որտեղ նոր ֆիզիկայի թույլ ազդանշանը կարող է փաստորեն անհետանալ Արևից անընդհատ ժամանող մասնիկների հոսքի մեջ։