Η εξαφάνιση αντινετρίνων από το KamLAND δείχνει ότι έχουν μάζα και ταλαντώνονται

Από σελίδα του BerkeleyLab, 9 Δεκεμβρίου 2002

Τα αποτελέσματα από τα πειράματα στους πρώτους έξι μήνες λειτουργίας στο KamLAND, ένα υπόγειο ανιχνευτή νετρίνων στην κεντρική Ιαπωνία, εμφανίζουν ότι τα αντινετρίνα που προέρχονται από τους κοντινούς πυρηνικούς αντιδραστήρες "εξαφανίζονται", κάτι που δείχνει ότι έχουν μάζα και μπορούν να ταλαντευτούν ή να αλλάξουν από τον έναν τύπο σε άλλον. Δεδομένου ότι τα αντινετρίνα είναι η αντίστοιχη αντιύλη των νετρίνων, αυτά τα αποτελέσματα παρέχουν μια ανεξάρτητη επιβεβαίωση των πιο πρόσφατων μελετών που περιλαμβάνουν τα ηλιακά νετρίνων και εμφανίζουν ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής των Σωματιδίων, το οποίο έχει εξηγήσει επιτυχώς τη θεμελιώδη φυσική από τη δεκαετία του '70, χρειάζεται ενημέρωση ή βελτίωση. Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης το δρόμο προς τις πρώτες άμεσες μετρήσεις της συνολικής ραδιενέργειας της Γης.

Το KamLAND αποτελείται από ένα μετεωρολογικό μπαλόνι, διαμέτρου 13 μέτρων, γεμάτο με χίλιους τόνους υγρού σπινθηριστή. Το μπαλόνι περιβάλλεται από 1.879 φωτοπολλαπλασιαστές, που συνδέονται με μια ανοξείδωτη χαλύβδινη σφαίρα που λούζεται σε απόλυτα καθαρό νερό.

"Ενώ τα αποτελέσματα από τα πιο πρόσφατα πειράματα νετρίνων, όπως εκείνα που γίνονται στο SNO (Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury) και το Super-Κ (Super- Kamiokande) πρόσφεραν ατράνταχτες αποδείξεις για την ταλάντωση των νετρίνων (αλλαγή του τύπου των νετρίνων), υπήρξαν μερικές διαφορετικές προτάσεις. Τα αποτελέσματά μας τώρα κλείνουν την πόρτα σε αυτές τις προτάσεις και δίνουν επιχειρήματα για την ταλάντωση των νετρίνων οπότε η ύπαρξη της μάζας φαίνεται να είναι αναπόφευκτη ", λέει ο Stuart Freedman, ένας πυρηνικός φυσικός και στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence στο Μπέρκλευ και στο Πανεπιστήμιο Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, και που είναι εκπρόσωπος τους για την Αμερικανική ομάδα στο KamLAND.

Ο Giorgio Gratta, ένας άλλος συνεργαζόμενος καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ προσθέτει "βλέπουμε το ίδιο έλλειμμα νετρίνων, ή ένα έλλειμμα που είναι συμβατό με το έλλειμμα που οι φυσικοί έβλεπαν επί χρόνια στα ηλιακά πειράματα των νετρίνων. Τα νετρίνα από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες εξαφανίζονται καθώς φεύγουν από τους αντιδραστήρες προς τον ανιχνευτή μας. Το αποτέλεσμα σχεδόν βεβαίως σημαίνει ότι η ηλιακή ανωμαλία των νετρίνων οφείλονται στις ταλαντώσεις των νετρίνων, που σημαίνει ότι οι μάζες των νετρίνων είναι διάφορες από το μηδέν."

Τα πειράματα νετρίνων στο KamLAND διευθύνονται από μια διεθνή συνεργασία που αποτελείται κατά ένα μεγάλο μέρος από επιστήμονας από την Ιαπωνία και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Ο Raymond Orbach, διευθυντής του προγράμματος λέει ότι "αυτό το πείραμα χρησιμοποιεί τα επίγεια αντινετρίνα για να επιβεβαιώσει τη γνώση που έχουμε από τα ηλιακά νετρίνα. Τα αποτελέσματα θα έχουν έναν σημαντικό αντίκτυπο στην κατανόησή μας για τη φυσική των νετρίνων".

Η λέξη KamLAND προέρχεται από το Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector (Υγρός ανιχνευτής αντινετρίνων). Το KamLAND είναι τοποθετημένο σε ένα βαθύ σπήλαιο παλαιών ορυχείων κάτω από τα βουνά του κύριου νησιού της Ιαπωνίας Honshu, κοντά στην πόλη Toyama, κι είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής αντινετρίνων χαμηλής ενέργειας που έχει χτιστεί μέχρι τώρα. Το KamLAND αποτελείται από ένα μετεωρολογικό μπαλόνι 13 μέτρων, γεμάτο από χίλιους τόνους υγρού σπινθηριστή, ένα χημικό μίγμα που εκπέμπει λάμψεις φωτός όταν συγκρούεται ένα εισερχόμενο αντινετρίνων με ένα πρωτόνιο. Αυτές οι  λάμψεις φωτός ανιχνεύονται από ένα περιβάλλον δίκτυο 1.879 φωτοπολλαπλασιαστών αισθητήρων φωτός, που μετατρέπουν τις λάμψεις σε ηλεκτρονικά σήματα κι έτσι οι υπολογιστές μπορούν να τα αναλύσουν. Οι φωτοπολλαπλασιαστές είναι προσαρτημένοι με την εσωτερική επιφάνεια, διαμέτρου 18 μέτρων, ανοξείδωτης χαλύβδινης σφαίρας και χωρισμένοι από το μετεωρολογικό μπαλόνι με τη βοήθεια υγρών σαν μονωτικού υλικού, για να εξουδετερωθεί η ραδιενέργεια του περιβάλλοντος.

Κοιτάζοντας  τους φωτοπολλαπλασιαστές της  KamLAND. Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με ένα πρωτόνιο στο υγρό σπινθηριστή, εκπέμπεται μια λάμψη φωτός που θα ανιχνευθεί από τους φωτοπολλαπλασιαστές και θα μετατραπεί σε ένα ηλεκτρονικό σήμα για την ανάλυση με υπολογιστές.

Τα γεγονότα των αντινετρίνων που καταγράφηκαν στον ανιχνευτή KamLAND για αυτήν την μελέτη προέρχονται από τα αντινετρίνα ηλεκτρονίων, που δημιουργήθηκαν από τους 51 πυρηνικούς αντιδραστήρες στην Ιαπωνία συν 18 αντιδραστήρες στη νότια Κορέα. Τα αντινετρίνα, όπως τα νετρίνα, έρχονται σε τρεις διαφορετικές τύπους ή "γεύσεις," ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ.

Το νετρίνο είναι υποατομικό σωματίδιο που αλληλεπιδρά σπάνια με την υπόλοιπη ύλη και μάλιστα ένα από αυτά θα μπορούσε να περάσει άθικτο μέσω ενός τοίχου από μόλυβδο πάχους από τη Γη έως το φεγγάρι. Παράγονται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σύντηξης, μια αντίδραση που γίνεται στον ήλιο και τα άλλα αστέρια. Τα αντινετρίνα δημιουργούνται στις αντιδράσεις διάσπασης όπως εκείνες που γίνονται στις πυρηνικές εγκαταστάσεις ηλεκτρισμού. Ο διαχωρισμός ενός ατομικού πυρήνα σε δύο μικρότερους πυρήνες παράγει συχνά ραδιενεργούς πυρήνες, οι οποίοι αποσυντίθενται και εκπέμπουν τότε ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο (βήτα διάσπαση).

Καθώς η αντιύλη θεωρείται ο καθρέφτης της ύλης στις ιδιότητες και τη συμπεριφορά, μελετώντας τα αντινετρίνα ουσιαστικά μελετούμε τα νετρίνα. Στην πραγματικότητα, τα πειράματα του 1956 του Frederick Reines και Clyde Cowan που σηματοδότησαν την πρώτη ανίχνευση των νετρίνων, και έτσι κέρδισε ο Reines ένα μέρος του βραβείου Νόμπελ του 1995 στη φυσική, βασίστηκαν στα αντινετρίνα που παρήχθησαν στους πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Σύμφωνα με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου μοντέλου, τα νετρίνα/αντινετρίνα είναι χωρίς μάζα. Αντίθετο με αυτό, κατά τη διάρκεια των δύο προηγούμενων ετών, πειράματα με τα ηλιακά νετρίνα στους ανιχνευτές στο SNO και στο Super-Κ,  έδειξαν ότι το σωματίδιο φάντασμα έχει αρκετή μάζα που του επιτρέπει να ταλαντεύεται και να αλλάζει γεύση πάνω από μια απόσταση. Εντούτοις, μερικοί επιστήμονες έχουν εξετάσει εάν αυτά τα ηλιακά νετρίνα έχουν αλληλεπιδράσει με έναν απροσδόκητο τρόπο με το μαγνητικό πεδίο του ήλιου κατά την πορεία τους προς τους ανιχνευτές. Το KamLAND είναι το πρώτο πείραμα που παρατήρησε τις ιδιότητες των νετρίνων που ήταν αρμόδιες για τις ηλιακές αλλαγές γεύσης αλλά από μια επίγεια πηγή νετρίνων, από τους αντιδραστήρες των πυρηνικών εγκαταστάσεων ηλεκτρισμού της Ιαπωνίας.

"Είναι μια καταπληκτική σύμπτωση ότι το KamLAND συμβαίνει να είναι ακριβώς στη σωστή απόσταση (σε ένα μέσο όρο περίπου 175 χιλιομέτρων) από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες της Ιαπωνίας", λέει ο Freedman.

Σε ένα έγγραφο για το Physical Review Letters, 92 φυσικοί που συνεργάζονται στο πείραμα KamLAND αναφέρουν ότι για μία περίοδο 145 ημερών λειτουργίας, κατέγραψαν 54 γεγονότα αντινετρίνων ηλεκτρονίων με μια περιοχή ενέργειας ενός έως 10 εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, σε αντιδιαστολή με τα περίπου 86 γεγονότα που προβλέφθηκαν από το Καθιερωμένο Μοντέλο κάτω από την υπόθεση ότι δεν εμφανίζεται καμία ταλάντωση.

Βασισμένη στην ανάλυση των γεγονότων η ομάδα συμπέρανε ότι η πιθανή εξήγηση είναι ότι τα αντινετρίνα που ταλαντεύονται στον δρόμο που ακολουθούν από τους αντιδραστήρες, αλλάζουν από το αντινετρίνο ηλεκτρονίου σε αντινετρίνο μιονίου και ταυ. Επιπλέον, οι συνεργάτες συμπέραναν ότι έλαβε χώρα και μια μίξη των τριών γεύσεων των αντινετρίνων, ένα φαινόμενο που θα είναι χρήσιμο για να υπολογιστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η μάζα των νετρίνων.

Η κατασκευή του ανιχνευτή KamLAND άρχισε το 1998 και οι διαδικασίες άρχισαν τον Ιανουάριο 2002. Το κόστος του έφτασε περισσότερα από 20 εκατομμύρια δολάρια.

Τα πειράματα του KamLAND θα συνεχιστούν για αρκετά ακόμα έτη, κάνοντας λεπτομερείς μετρήσεις των νετρίνων που προέρχονται από  τους αντιδραστήρες,  για να ρίξουν περισσότερο φως στη μάζα και τη μίξη των γεύσεων των νετρίνων. Καθώς τα αντινετρίνα παράγονται επίσης κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης του ραδιενεργού ουράνιου και θορίου, στον φλοιό και το μανδύα της Γης, ο ανιχνευτής KamLAND μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει την εσωτερική ραδιενέργεια του πλανήτη μας.