COHERENT
COHERENT — это коллаборация, которая в 2017 году погасила сорокатрёхлетнюю задолженность по предсказанию: она впервые обнаружила когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядре. Работа вышла 15 сентября 2017 года в Science и относится к часто цитируемым результатам физики нейтрино.
Постановка опыта
Обнаружение удалось на источнике нейтронов расщепления Ок-Риджской национальной лаборатории в Теннесси. Там импульсный пучок протонов попадает на ртутную мишень; наряду с нейтронами при этом возникают пионы, которые распадаются на мюоны и нейтрино. Результат — один из самых интенсивных источников нейтрино в области нескольких десятков МэВ, то есть ровно в том энергетическом окне, в котором происходит когерентное рассеяние.
Детектор был примечательно мал: сцинтилляционный кристалл из иодида цезия с добавкой натрия массой 14,6 килограмма. Для сравнения: другим нейтринным экспериментам нужны тысячи тонн. Именно в этом и состоит соль когерентного рассеяния — его сечение взаимодействия настолько больше, что достаточно детектора размером с арбуз.
Импульсный пучок был вторым приёмом. Поскольку нейтрино приходят в резко определённых временны́х окнах, сигнал удалось отделить от фона, просто глядя лишь в нужную наносекунду.
Результат
После пятнадцати месяцев набора данных значимость обнаружения составила 6,7 σ — заметно выше тех 5 σ, которые в физике частиц считаются порогом открытия. Число наблюдённых событий совпало с предсказанием Стандартной модели.
Тем самым подтвердилась и характерная сигнатура процесса: сечение взаимодействия растёт как квадрат числа нейтронов ядра мишени. Это не деталь, а отпечаток пальца когерентности — ядро отзывается как целое, а не как совокупность отдельных нуклонов.
В 2020 году коллаборация добавила измерение на аргоне и обнаружила процесс на втором ядерном материале. В 2022 году последовали измерения на иодиде цезия с заметно улучшенной статистикой.
Почему это заняло так много времени
Даниэль З. Фридман предсказал процесс в 1974 году и уже тогда писал, что его обнаружение будет трудным — не потому, что взаимодействие редко, а потому, что оно так мало после себя оставляет. Получившее толчок атомное ядро сдвигается всего на несколько килоэлектронвольт, отдача в области немногих нанометров. Чтобы измерять такие сигналы, потребовалось четыре десятилетия прогресса в технике детектирования, охлаждении и подавлении фона.
То, что в конце дело решил детектор массой 14,6 килограмма, относится к красивым поворотам этой истории.
Значение
Для фундаментальной физики COHERENT открыл новое окно: когерентное рассеяние чувствительно к физике за пределами Стандартной модели и служит теперь инструментом для измерения слабого заряда ядра и возможных новых взаимодействий. Кроме того, оно является неизбежным фоном для детекторов, ищущих тёмную материю, — так называемый нейтринный туман.
Для нейтриновольтаики COHERENT — второй из трёх якорей. Нобелевская премия 2015 года показала, что нейтрино обладают массой и тем самым несут импульс; COHERENT показал в 2017 году, что этот импульс действительно передаётся атомному ядру — причём по самому крупному каналу, какой существует при низких энергиях.
Связанные понятия
- Когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядре — обнаруженный процесс
- Сечение взаимодействия — почему важна зависимость от N²
- Нобелевская премия по физике 2015 года — первый якорь
- Осцилляции нейтрино — открытие, стоящее за этим
- Основное уравнение — где входит это сечение взаимодействия
Источники
- D. Akimov и др. (коллаборация COHERENT): Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering. Science 357, 1123–1126 (2017).
- D. Akimov и др.: First measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering on argon. Physical Review Letters 126, 012002 (2021).
- D. Akimov и др.: Measurement of the coherent elastic neutrino-nucleus scattering cross section on CsI. Physical Review Letters 129, 081801 (2022).
- D. Z. Freedman: Physical Review D 9, 1389 (1974).