Neutrinos adalah salah satu zarah asas yang membentuk Alam Semesta. Berbanding dengan jenis zarah lain, mereka mempunyai jisim yang sangat sedikit, tanpa cas, dan hanya berinteraksi dengan yang lain melalui kekuatan dan daya tarikan nuklear yang lemah. Oleh itu, mencari bukti interaksi pewaris sangat sukar, memerlukan instrumen besar yang terletak jauh di bawah tanah untuk melindungi mereka dari sebarang gangguan.
Walau bagaimanapun, menggunakan Spallation Neutron Source (SNS), sebuah kemudahan penyelidikan yang terletak di Makmal Nasional Oak Ridge (ORNL) - sebuah pasukan penyelidik antarabangsa baru-baru ini membuat penemuan bersejarah mengenai neutrino menggunakan kaedah yang sama sekali berbeza. Sebagai sebahagian daripada eksperimen COHERENT, hasil ini mengesahkan ramalan yang dibuat 43 tahun yang lalu dan menawarkan kemungkinan baru untuk penyelidikan neutrino.
Kajian yang memperincikan penemuan mereka, berjudul "Pemerhatian penyebaran neutrino-inti elastik koheren", baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Sains. Penyelidikan ini dilakukan sebagai sebahagian daripada eksperimen COHERENT, kolaborasi 80 penyelidik dari 19 institusi dari lebih 4 negara yang telah mencari apa yang dikenali sebagai Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) selama lebih dari satu tahun.
Dalam mencari bukti tingkah laku ini, COHERENT pada dasarnya telah membuat sejarah. Seperti kata Jason Newby, seorang ahli fizik ORNL dan penyelaras teknikal COHERENT, dalam satu kenyataan media ORNL:
"Eksperimen fizik partikel satu-satunya-jenis di Makmal Nasional Oak Ridge adalah yang pertama mengukur penyebaran koheren neutrino bertenaga rendah dari nukleus."
Untuk memecahkan semuanya, Model Piawai fizik zarah menunjukkan bahawa neutrino adalah lepton, zarah yang berinteraksi dengan bahan lain sangat lemah. Mereka diciptakan melalui kerosakan radioaktif, tindak balas nuklear yang menggerakkan bintang, dan dari supernova. Model kosmologi Big Bang juga meramalkan bahawa neutrino adalah zarah paling banyak yang ada, kerana ia merupakan produk sampingan dari penciptaan Alam Semesta.
Oleh itu, kajian mereka telah menjadi tumpuan utama bagi ahli fizik teori dan ahli kosmologi. Dalam kajian sebelumnya, interaksi neutrino dikesan dengan menggunakan banyak bahan sasaran dan kemudian memeriksa transformasi zarah yang disebabkan oleh neutrino memukulnya.
Contohnya termasuk Balai Cerap Super-Kamiokande di Jepun, sebuah kemudahan bawah tanah di mana bahan sasarannya adalah 50,000 tan air ultra murni. Dalam kes Observatorium Sudbury Neutrino SNOLAB - yang terletak di bekas kompleks lombong berhampiran Sudbury, Ontario - pengesan neutrino SNO bergantung pada air berat untuk pengesanan neutrino sementara eksperimen SNO + akan menggunakan scintillator cecair.
Dan IceCube Neutrino Observatory - pengesan neutrino terbesar di dunia, yang terletak di Stesen Amundsen – Scott South Pole di Antartika - bergantung pada ais Antartika untuk mengesan interaksi neutrino. Dalam semua keadaan, kemudahan tersebut sangat terpencil dan bergantung pada peralatan yang sangat mahal.
Walau bagaimanapun, eksperimen COHERENT jauh lebih kecil dan lebih ekonomik jika dibandingkan, beratnya hanya 14.5 kg (32 lbs) dan menempuh ruang jauh lebih sedikit. Eksperimen ini dibuat untuk memanfaatkan sistem berbasis pemecut SNS yang ada, yang menghasilkan sinar neutron berdenyut paling kuat di dunia untuk menghancurkan atom merkuri dengan pancaran proton.
Proses ini menghasilkan sejumlah besar neutron yang digunakan untuk pelbagai eksperimen saintifik. Walau bagaimanapun, proses ini juga menghasilkan sejumlah besar neutrino sebagai produk sampingan. Untuk memanfaatkannya, tim COHERENT mula mengembangkan eksperimen neutrino yang dikenal sebagai "neutrino alley". Terletak di koridor bawah tanah hanya 20 meter (45 kaki) dari tangki merkuri, dinding konkrit tebal dan kerikil memberikan pelindung semula jadi.
Koridor ini juga dilengkapi dengan tangki air besar untuk menyekat neutrino tambahan, sinar kosmik dan zarah lain. Tetapi tidak seperti eksperimen lain, pengesan COHERENT mencari tanda-tanda neutrino menabrak inti atom lain. Untuk melakukan ini, pasukan ini melengkapkan koridor dengan alat pengesan yang bergantung pada kristal scintillator cesium iodide, yang juga menggunakan odium untuk meningkatkan penonjolan isyarat cahaya yang disebabkan oleh interaksi neutrino.
Juan Collar, seorang ahli fizik dari University of Chicago, memimpin pasukan reka bentuk yang membuat alat pengesan yang digunakan di SNS. Seperti yang dijelaskannya, ini adalah pendekatan "back-to-basics" yang menghilangkan pengesan yang lebih mahal dan besar:
"Mereka boleh dikatakan jenis pengesan radiasi yang paling pejalan kaki yang ada, sejak sekitar satu abad. Natrium-doping cesium iodide menggabungkan semua sifat yang diperlukan untuk berfungsi sebagai pengesan neutrino koheren kecil 'genggam'. Selalunya, lebih sedikit lebih banyak. "
Berkat eksperimen mereka dan kecanggihan SNS, para penyelidik dapat menentukan bahawa neutrino mampu bergabung dengan quark melalui pertukaran boson Z neutral. Proses ini, yang dikenali sebagai Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), pertama kali diramalkan pada tahun 1973. Tetapi sehingga kini, tidak ada pasukan eksperimen atau penyelidik yang dapat mengesahkannya.
Seperti yang ditunjukkan oleh Jason Newby, eksperimen berjaya sebahagian besarnya berkat kecanggihan kemudahan yang ada. "Tenaga neutrino SNS hampir sempurna untuk percubaan ini - cukup besar untuk membuat isyarat yang dapat dikesan, tetapi cukup kecil untuk memanfaatkan keadaan koheren," katanya. "Satu-satunya senjata interaksi adalah sejumlah kecil tenaga yang diberikan kepada satu nukleus."
Data yang dihasilkannya juga lebih bersih daripada eksperimen sebelumnya, kerana neutrino (seperti sinar neutron SNS yang menghasilkannya) juga berdenyut. Ini memungkinkan pemisahan isyarat dengan mudah dari isyarat latar belakang, yang menawarkan kelebihan berbanding sumber neutrino keadaan tetap - seperti yang dihasilkan oleh reaktor nuklear.
Pasukan ini juga mengesan tiga "rasa" neutrino, yang meliputi neutron muon, antineutrinos muon, dan neutrino elektron. Walaupun neutrino muon muncul seketika, yang lain dikesan beberapa mikrodetik kemudian. Dari ini, pasukan COHERENT tidak hanya mengesahkan teori CEvNS, tetapi juga Model Standard fizik zarah. Penemuan mereka juga mempunyai implikasi terhadap astrofizik dan kosmologi.
Seperti yang dijelaskan oleh Kate Scholberg, seorang ahli fizik dari Duke University dan jurucakap COHERENT:
“Apabila bintang besar runtuh dan kemudian meletup, neutrino membuang tenaga yang besar ke dalam sampul bintang. Memahami proses ini memberi pemahaman kepada bagaimana kejadian peristiwa dramatik ini berlaku ... Data COHERENT akan membantu tafsiran pengukuran sifat neutrino oleh eksperimen di seluruh dunia. Kami juga dapat menggunakan penyebaran koheren untuk lebih memahami struktur inti. "
Walaupun tidak ada keperluan untuk pengesahan lebih lanjut mengenai hasilnya, para penyelidik COHERENT merancang untuk melakukan pengukuran tambahan untuk memerhatikan interaksi neutrino yang koheren pada kadar yang berbeza (tandatangan proses yang lain). Dari ini, mereka berharap dapat mengembangkan pengetahuan mereka tentang sifat CEvNS, serta sifat-sifat neutrino asas lain - seperti daya tarik intrinsik mereka.
Penemuan ini sememangnya mengagumkan, memandangkan ia mengesahkan aspek kedua Model Standard fizik zarah dan kosmologi Big Bang. Tetapi hakikat bahawa kaedah ini memberikan hasil yang lebih bersih dan bergantung pada instrumen yang jauh lebih kecil dan lebih murah daripada eksperimen lain - itu sangat mengagumkan!
Implikasi dari penyelidikan ini pasti sangat meluas, dan akan menarik untuk melihat penemuan lain yang memungkinkannya di masa hadapan!
