Godine 2018., duboko ispod površine Ontarioa u Kanadi, u spremniku ispunjenom najčišćom vodom, zabilježen je bljesak – rezultat gotovo neuhvatljive čestice koja je udarila u molekule vode.

Ova čestica bila je antineutrino, a ovaj događaj označio je prvi put da je voda korištena za detekciju ovog rijetkog i misterioznog antipartnera neutrino čestice. Otkriveni antineutrino potječe iz nuklearnog reaktora udaljenog više od 240 kilometara, a ovo otkriće otvara vrata novim eksperimentima i tehnologijama koje koriste lako dostupne i sigurne materijale.

Neuhvatljive čestice s ogromnim potencijalom

Neutrini su jedne od najzastupljenijih čestica u svemiru, ali su zbog svoje gotovo nepostojeće mase i izostanka električnog naboja iznimno teški za otkrivanje. Oni rijetko interagiraju s drugim česticama, te doslovno prolaze kroz materiju kao da je nepostojeća. Ove "duhovne" čestice, kako ih znanstvenici često nazivaju, još uvijek su velika nepoznanica, no istraživanja sugeriraju da bi mogle otkriti ključne tajne o svemiru.

Antineutrini, koji su antiparovi neutrina, nastaju tijekom nuklearnog beta raspada, procesa u kojem neutron propada u proton, elektron i antineutrino. Kada antineutrino naiđe na proton, dolazi do reakcije koja rezultira stvaranjem pozitrona i neutrona – reakcije poznate kao obrnuti beta raspad.

Inovativna detekcija u laboratoriju SNO+

Kako bi se otkrili ovi rijetki događaji, znanstvenici koriste velike spremnike ispunjene tekućinom i opremljene fotomultiplikacijskim cijevima, koje su osjetljive na slabe svjetlosne signale. Detekcija je moguća zahvaljujući Čerenkovljevoj radijaciji, svjetlosnom fenomenu koji nastaje kad se nabijene čestice kreću brže od svjetlosti u određenom mediju. Iako nuklearni reaktori proizvode ogromne količine antineutrina, njihova niska energija otežava njihovu detekciju.

Tu na scenu stupa laboratorij SNO+, smješten na više od 2 kilometra ispod zemlje, u jednom od najdubljih podzemnih laboratorija na svijetu. Ta dubina pruža prirodnu zaštitu od kozmičkih zraka, omogućujući znanstvenicima precizno bilježenje suptilnih signala.

Znanstvenici u laboratoriju stvorili malu crnu rupu: Ono što se dogodilo sljedeće potpuno ih je iznenadilo

U razdoblju kalibracije 2018. godine, spremnik u laboratoriju bio je ispunjen ultrapure vodom, što je omogućilo istraživačima da prikupe 190 dana podataka. U tom su periodu otkrili dokaze o obrnutoj beta reakciji – neutrone koji su proizvedeni tijekom ovog procesa voda je uhvatila, stvarajući suptilan svjetlosni "cvijet" na vrlo specifičnoj razini energije od 2.2 megaelektronvolta.

Voda kao ključ za detekciju antineutrina

Detektori koji koriste vodu obično imaju problem pri detekciji ispod 3 megaelektronvolta, no SNO+ je uspio uhvatiti signale na razini od samo 1.4 megaelektronvolta, što je omogućilo učinkovitost detekcije od oko 50 posto na 2.2 megaelektronvolta. Ovaj rezultat bio je dovoljan da istraživački tim istraži znakove obrnutog beta raspada.

Analiza signala pokazala je da je vjerojatnost da je signal proizveden antineutrinom 99.7 posto, što je značajno otkriće za buduće primjene ove tehnologije u praćenju nuklearnih reaktora. "Zanimljivo nam je da čista voda može biti korištena za mjerenje antineutrina iz reaktora, i to na tako velikim udaljenostima," izjavio je fizičar Logan Lebanowski iz SNO+ kolaboracije i Sveučilišta California, Berkeley.

Potencijalna primjena i nova pitanja

Iako je ovo otkriće važno, ono također otvara nova pitanja o prirodi neutrina i antineutrina. Naime, još uvijek nije poznato jesu li neutrini i antineutrini ista čestica. Potraga za rijetkim i do sada neviđenim procesima raspada mogla bi odgovoriti na ovo pitanje, a SNO+ laboratorij trenutno radi na tome.

Za sada, ovo otkriće predstavlja veliki korak naprijed u razumijevanju tih "nevidljivih" čestica i njihove moguće primjene. Istovremeno, pruža uvid u potencijal korištenja jednostavnih i sigurnih materijala, poput vode, za buduće eksperimente u praćenju i istraživanju antineutrina – čime znanstvenici sve više ulaze u misterij koji neutrina okružuje.