ニュートリノは、宇宙を構成する基本的な粒子の1つです。他のタイプの粒子と比較して、それらは質量がほとんどなく、電荷がなく、弱い核力と重力を介して他の粒子とのみ相互作用します。そのため、相続人の相互作用の証拠を見つけることは非常に困難であり、干渉からそれらを保護するために地下深くに配置された巨大な機器を必要とします。
しかし、オークリッジ国立研究所（ORNL）にある研究施設であるSpallation Neutron Source（SNS）を使用して、国際的な研究チームが最近、まったく異なる方法でニュートリノについて歴史的な発見をしました。 COHERENT実験の一部として、これらの結果は43年前に行われた予測を確認し、ニュートリノ研究に新しい可能性を提供します。
「コヒーレント弾性ニュートリノ-核散乱の観察」と題された彼らの発見を詳述する研究は、最近ジャーナルに掲載されました 理科。研究は、コヒーレント弾性ニュートリノ-核散乱（CEvNS）として知られているものを1年以上探し求めている、4か国以上の19の機関からの80人の研究者のコラボレーションであるCOHERENT実験の一部として行われました。
この行動の証拠を見つけるにあたり、COHERENTは本質的に歴史を築いてきました。 ORNLの物理学者であり、COHERENTのテクニカルコーディネーターであるJason Newbyは、ORNLの報道声明で次のように述べています。
「オークリッジ国立研究所でのユニークな素粒子物理学実験は、核からの低エネルギーニュートリノのコヒーレント散乱を測定した最初のものでした。」
それをすべて壊すために、素粒子物理学の標準モデルは、ニュートリノがレプトンであり、他の物質と非常に弱く相互作用する粒子であることを示しています。それらは、星を動かす核反応、および超新星からの放射性崩壊によって作成されます。宇宙論のビッグバンモデルは、ニュートリノは宇宙の創造の副産物であるため、存在する最も豊富な粒子であることも予測しています。
そのため、彼らの研究は理論物理学者や宇宙学者にとって大きな焦点となっています。以前の研究では、ニュートリノの相互作用は、文字通り数トンの標的物質を使用し、ニュートリノに当たった結果として生じた粒子変換を調べることによって検出されました。
例としては、日本のスーパーカミオカンデ天文台、ターゲット物質が5万トンの超純水である地下施設があります。オンタリオ州サドベリー近くの旧鉱山施設にあるSNOLABのサドベリーニュートリノ天文台の場合、SNOニュートリノ検出器はニュートリノ検出に重水を利用していますが、SNO +実験では液体シンチレータを使用しています。
また、南極のアムンセンスコットサウスポールステーションにある世界最大のニュートリノ検出器であるIceCube Neutrino Observatoryは、南極の氷を利用してニュートリノの相互作用を検出しています。すべての場合において、施設は非常に隔離されており、非常に高価な機器に依存しています。
ただし、COHERENT実験は、比較すると非常に小さく、経済的であり、重量はわずか14.5 kg（32ポンド）であり、スペースをはるかに占めていません。この実験は、既存のSNS加速器ベースのシステムを利用して作成されたもので、水銀原子を陽子ビームで粉砕するために、世界で最も強いパルス中性子ビームを生成します。
このプロセスにより、さまざまな科学実験に使用される大量の中性子が作成されます。ただし、このプロセスでは、副産物としてかなりの量のニュートリノも生成されます。これを利用するために、COHERENTチームは「ニュートリノ路地」として知られるニュートリノ実験の開発を始めました。水銀タンクからわずか20メートル（45フィート）の地下廊下にある厚いコンクリート壁と砂利は、自然のシールドを提供します。
廊下には、追加のニュートリノ、宇宙線、その他の粒子を遮断するための大きな水タンクも装備されています。しかし、他の実験とは異なり、COHERENT検出器は、ニュートリノが他の原子の原子核にぶつかる兆候を探します。これを行うために、チームは廊下にヨウ化セシウムシンチレータクリスタルに依存する検出器を装備しました。これはナトリウムを使用してニュートリノ相互作用によって引き起こされる光信号の目立ちを高めます。
シカゴ大学の物理学者であるフアン・カラーは、SNSで使用される検出器を作成した設計チームを率いていました。彼が説明したように、これはより高価で大規模な検出器を廃止した「基本に戻る」アプローチでした：
「彼らは間違いなく、1世紀ほど前から存在している、最も歩行者が利用できる種類の放射線検出器です。ナトリウムをドープしたヨウ化セシウムは、小型の「ハンドヘルド」コヒーレントニュートリノ検出器として機能するために必要なすべての特性を統合しています。多くの場合、少ないほど良いです。」
彼らの実験とSNSの洗練のおかげで、研究者たちはニュートリノが中性Zボソンの交換を通じてクォークに結合できることを決定することができました。コヒーレント弾性ニュートリノ核散乱（CEvNS）として知られているこのプロセスは、1973年に最初に予測されました。しかし、これまで、実験または研究チームはそれを確認できませんでした。
ジェイソン・ニュービーが示したように、実験は既存の施設の洗練のおかげで大部分成功しました。 「SNSニュートリノのエネルギーは、この実験のためにほぼ完全に調整されています。検出可能な信号を生成するのに十分な大きさですが、コヒーレンス条件を利用するのに十分なほど小さいです」と彼は言った。 「相互作用の唯一の喫煙銃は、単一の核に与えられる少量のエネルギーです。」
ニュートリノ（それらを生成したSNS中性子ビームのような）もパルス化されたため、それが生成したデータも以前の実験よりもきれいでした。これにより、バックグラウンド信号から信号を簡単に分離できるようになり、原子炉によって生成されるニュートリノ源などの定常ニュートリノ源よりも有利でした。
チームはまた、ミュー粒子ニュートリノ、ミュー粒子反ニュートリノ、および電子ニュートリノを含むニュートリノの3つの「フレーバー」を検出しました。ミュー粒子ニュートリノは瞬時に出現しましたが、他のニュートリノは数マイクロ秒後に検出されました。このことから、COHERENTチームはCEvNSの理論だけでなく、素粒子物理学の標準モデルも検証しました。彼らの発見はまた、天体物理学と宇宙論に影響を与えます。
デューク大学の物理学者であり、COHERENTのスポークスパーソンであるケイトショルバーグは、次のように説明しています。
「巨大な星が崩壊して爆発するとき、ニュートリノは莫大なエネルギーを恒星のエンベロープに投じます。プロセスを理解することで、これらの劇的なイベントがどのように発生するかを理解できます。COHERENTのデータは、世界中の実験によるニュートリノ特性の測定値の解釈に役立ちます。また、核の構造をよりよく理解するために、コヒーレント散乱を使用できるかもしれません。」
結果をさらに確認する必要はありませんが、コヒーレントの研究者は、コヒーレントなニュートリノ相互作用を異なる速度で観測するために、追加の測定を行う予定です（プロセスの別の特徴）。このことから、彼らはCEvNSの性質や、固有の磁性などの他の基本的なニュートリノの特性についての知識を広げることを望んでいます。
この発見は、素粒子物理学の標準モデルとビッグバン宇宙論の両方の側面を検証することを考えると、それ自体が確かに印象的でした。しかし、この方法はよりクリーンな結果を提供し、他の実験よりも大幅に小型で安価な装置に依存しているという事実–それは非常に印象的です！
この研究の影響は広範囲に及ぶことは間違いなく、将来的に他のどのような発見が可能になるかを見るのは興味深いでしょう。
