Przełom w fizyce cząstek - antyneutrina wykryte w zwykłej wodzie

W świecie fizyki cząstek elementarnych rzadko zdarza się, by proste rozwiązania przynosiły przełomowe rezultaty. Tymczasem naukowcy z podziemnego laboratorium SNO (Sudbury Neutrino Observatory) w Kanadzie dokonali właśnie takiego odkrycia – po raz pierwszy w historii udało im się wykryć antyneutrina przy użyciu zwykłej, czystej wody.

Wyniki badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters, mogą zrewolucjonizować nie tylko nasze rozumienie tych tajemniczych cząstek, ale również otworzyć nowe możliwości praktycznego zastosowania tej wiedzy, między innymi do monitorowania reaktorów jądrowych.

Neutrina i antyneutrina to jedne z najbardziej enigmatycznych cząstek znanych współczesnej fizyce. Ich niezwykła właściwość polega na tym, że praktycznie nie wchodzą w interakcje z materią – każdej sekundy miliardy tych cząstek przenikają przez nasze ciała, nie pozostawiając żadnego śladu. Ta nieuchwytność sprawia, że badanie neutrin wymaga niezwykle czułych instrumentów, zazwyczaj wykorzystujących specjalne ciecze scyntylacyjne, które wzmacniają sygnały świetlne powstające podczas rzadkich interakcji tych cząstek z materią.

Przełom nastąpił jednak podczas rutynowej kalibracji instalacji SNO w 2018 roku. Naukowcy napełnili wówczas zbiornik detekcyjny, znajdujący się ponad 2 kilometry pod ziemią, zwykłą ultraczystą wodą zamiast specjalistycznych cieczy. Analiza danych zgromadzonych przez 190 dni wykazała coś, czego nikt się nie spodziewał – udało się zarejestrować odwrotny rozpad beta, zjawisko, w którym antyneutrino oddziałuje z protonem, tworząc pozyton (antyelektron) i neutron.

Kluczowym momentem w eksperymencie było zarejestrowanie charakterystycznego błysku światła o energii 2,2 megaelektronowoltów (MeV), powstającego gdy neutron zostaje wychwycony przez jądro wodoru. To osiągnięcie jest tym bardziej imponujące, że zwykle detektory wodne mają trudności z wykrywaniem sygnałów o energii poniżej 3 MeV. W tym przypadku detektor SN+ zdołał wykryć ten subtelny sygnał ze skutecznością około 50%. Dodatkowo, szczegółowa analiza statystyczna wykazała, że prawdopodobieństwo, iż zarejestrowany sygnał został wywołany przez antyneutrino, wynosi aż 99,7%.

Odkrycie to ma ogromne znaczenie zarówno dla fizyki teoretycznej, jak i dla praktycznych zastosowań. Z jednej strony, technologia ta może posłużyć do stworzenia prostszych i tańszych detektorów neutrin, które mogłyby być wykorzystywane do zdalnego monitorowania reaktorów jądrowych. Z drugiej strony, detektor SNO w przyszłości ma szansę pomóc w rozwiązaniu jednej z największych zagadek współczesnej fizyki: czy neutrina i antyneutrina to te same cząstki? Gdyby udało się odkryć rzadki rodzaj rozpadu, mogłoby to zrewolucjonizować nasze rozumienie struktury materii.

Eksperyment kanadyjskich fizyków udowadnia, że woda może być dostępnym i bezpiecznym materiałem do badań nad neutrinami. Co więcej, tego rodzaju proste i relatywnie tanie instalacje mogą znaleźć praktyczne zastosowanie w nieniszczącej kontroli procesów jądrowych, co ma niebagatelne znaczenie dla bezpieczeństwa energetycznego.

Badania prowadzone w laboratorium SNO, położonym głęboko pod ziemią, gdzie wpływ promieniowania kosmicznego jest zminimalizowany, otwierają nowy rozdział w fizyce cząstek elementarnych. Pokazują one, że czasami najprostsze rozwiązania mogą prowadzić do najbardziej zaskakujących odkryć, a zwykła woda - substancja tak powszechna na naszej planecie - może być kluczem do zrozumienia najbardziej tajemniczych cząstek Wszechświata.