Neutrinii sunt printre cele mai fascinante particule din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Studiul lor este complicat, motiv pentru care o nouă măsurătoare a unui proces de împrăștiere coerentă cu nuclee de argon, efectuată în cadrul experimentului COHERENT în SUA este extrem de interesantă, și ar putea în viitor duce la noi descoperiri care să explice parte din misterele fizicii actuale.

Ce sunt neutrinii

Neutrinii sunt particule elementare care nu au sarcină electrică, cu o masă extrem de mică – la oră actuală încă nu am reușit să o măsurăm – care interacționează extrem de slab cu materia. Există trei tipuri de neutrini în cadrul Modelulul Standard al fizicii particulelor elementare – cei electronici, cei muonici și cei tauonici. Studiul lor ar putea să ne ajute să înțelegem mistere care la oră actuală dau dureri de cap cercetătorilor – precum dispariția antimateriei imediat după Big Bang sau compoziția materiei întunecate care umple Universul. În timp ce ați citit frazele anterioare miliarde de neutrini care provin de la Soare v-au traversat corpul, fără să interacționeze practic cu voi. Din acest motiv studiul neutrinilor este extrem de dificil – întrucât foarte puțini lasă urme în drumul lor interacționând cu materia.

Împrăștieri elastice coerente ale neutrinilor

Un grup de cercetători care fac parte din colaborarea COHERENT, un experiment la Oak Ridge National Laboratory în Statele Unite, folosind neutrini produși la SNS – o sursă de neutroni extrem de intensă care produce și neutrini, a reușit să măsoare procese de împrăștiere elastică a neutrinilor cu nuclee de argon. Practic experimentul are la bază un detector ce conține 24 kg de argon lichid, în care neutrinii interacționează cu nucleele de argon în mod coerent. Deci are loc o împrăștiere cu tot nucleul – care primește o mică energie în urma acestei împrăștieri. Este ca și cum o minge de tenis ar lovi o minge mult mai mare; mingea mai mare capătă o energie – care însă în acest caz este foarte mică. Pentru a reuși să efectueze acest studiu, rezultatele căruia au fost publicate într-un articol în revista Physical Review Letters – grupul a dezvoltat tehnologii avansate de citire a semnalelor, împreună cu izolarea aparatului cu straturi de plumb, cupru și apă pentru eliminarea fondului de neutroni.

În felul acesta s-a reușit măsurarea a 159 de evenimente de împrăștieri coerente ale neutrinilor cu nuclee de argon în circa 18 luni de experiment – ceea ce demonstrează cât de dificil este efectuarea acestor tipuri de studii – tocmai datorită faptului că neutrinii interacționează extrem de slab cu materia.

Ce se plănuiește pentru viitor?

La ora actuală cercetătorii compară rezultatele măsurătorii cu studii teoretice pentru a înțelege dacă ceea ce s-a măsurat este compatibil cu ceea ce cunoaștem despre neutrini. Rezultatul este cum că acest proces este exact așa cum este prevăzut în cadrul Modelului Standard. Totuși, precizia măsurătorii este încă foarte mică pentru a face o comparație cu teoria care să ne arate într-adevăr dacă există diferențe între experiment și teorie. Ar trebui deci să fie efectuat un nou experiment cu o cantitate de argon lichid mult mai mare. Din acest motiv grupul COHERENT are intenția să realizeze un nou aparat – nu cu doar 24 kg de argon lichid ci cu o tonă sau – în planurile lor cele mai îndrăznețe – cu 10 tone de argon!

În această situație ar fi măsurate un număr de evenimente atât de mare încât să permită un studiu de precizie – o comparație între spectrele măsurate și cele calculate cu teoria Modelului Standard. Ar fi extrem de interesant să se ajungă la concluzia că cele două nu coincid, întrucât (evident dacă nu este o greșeală pe undeva) ar fi un semnal al unei noi fizici – o descoperire care ne-ar îndruma pașii spre modelul care ne așteaptă dincolo de Modelul Standard, care ar putea eventual explica din ce este făcută materia întunecată și unde a dispărut antimateria imediat după Big Bang.

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe