Bron: Science Daily | Methode: Herschreven
Origineel: “Ghost particles slip through Earth and spark a hidden atomic reaction”
Scientists have managed to observe solar neutrinos carrying out a rare atomic transformation deep underground, converting carbon-13 into nitrogen-13 inside the SNO+ detector. By tracking two faint flashes of light separated by several minutes, researchers confirmed one of the lowest-energy…
In een baanbrekende wetenschappelijke doorbraak zijn onderzoekers erin geslaagd om een van de zeldzaamste atomaire reacties ter wereld waar te nemen. Diep onder de grond in Canada hebben zij vastgelegd hoe neutrino’s – ook wel ‘spookdeeltjes’ genoemd – koolstofatomen transformeren tot stikstof.
**De mysterieuze spookdeeltjes**
Neutrino’s behoren tot de meest raadselachtige deeltjes die de wetenschap kent. Biljarden van deze onzichtbare deeltjes schieten elk moment door ons lichaam heen zonder enig spoor achter te laten. Ze ontstaan tijdens kernreacties, waaronder die in het hart van onze zon, maar hun extreem zwakke interacties met materie maken ze uitzonderlijk moeilijk bestudeerbaar.
Slechts een handvol materialen heeft ooit aangetoond te reageren op neutrino’s afkomstig van de zon. Nu hebben wetenschappers een nieuw materiaal aan die korte lijst toegevoegd door waar te nemen hoe neutrino’s koolstofatomen omzetten in stikstof binnen een massieve ondergrondse detector.
**Ondergronds laboratorium in Canada**
Deze prestatie werd bereikt door een project onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Oxford, die gebruik maakten van de SNO+ detector. Deze bevind zich twee kilometer onder de grond in SNOLAB in Sudbury, Canada. Het laboratorium opereert binnen een actieve mijn en biedt de afscherming die nodig is om kosmische straling en achtergrondstraling te blokkeren die anders de gevoelige neutrino-metingen zouden overstemmen.
De detector zelf is een indrukwekkende installatie: een acryl vat met een diameter van 12 meter, omringd door 9.000 fotomultiplicatorbuizen. Het vat bevat ongeveer 800 ton vloeistof die dient voor neutrino-detectie.
**Een zeldzame dubbele lichtflits vangen**
Het onderzoeksteam richtte zich op het detecteren van momenten waarop een hoogenergetische neutrino een koolstof-13 kern raakt en deze omzet in stikstof-13, een radioactieve vorm van stikstof die ongeveer tien minuten later vervalt.
Om deze gebeurtenissen te kunnen waarnemen, maakten de onderzoekers gebruik van een ‘vertraagde coïncidentie’-techniek. Deze zoekt naar twee gerelateerde lichtuitbarstingen: de eerste van de neutrino die de koolstof-13 kern raakt, en de tweede van het verval van stikstof-13 enkele minuten later. Dit gepaarde signaal maakt het mogelijk om echte neutrino-gebeurtenissen betrouwbaar te onderscheiden van achtergrondruis.
**Resultaten overtreffen verwachtingen**
Gedurende een periode van 231 dagen, van 4 mei 2022 tot 29 juni 2023, registreerde de detector 5,6 van dergelijke gebeurtenissen. Dit komt overeen met de verwachtingen, die voorspelden dat er 4,7 gebeurtenissen zouden optreden als gevolg van neutrino’s van de zon gedurende deze periode.
“Het vangen van deze interactie is een buitengewone prestatie”, aldus hoofdauteur Gulliver Milton, een doctoraatsstudent aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford. “Ondanks de zeldzaamheid van de koolstofisotoop waren we in staat om de interactie ervan met neutrino’s waar te nemen, die geboren werden in het hart van de zon en enorme afstanden hebben afgelegd om onze detector te bereiken.”
**Een nieuw venster op het universum**
Neutrino’s gedragen zich op ongebruikelijke manieren en zijn cruciaal voor het begrijpen van hoe sterren werken, hoe kernfusie zich ontvouwt en hoe het universum evolueert. De onderzoekers stellen dat deze nieuwe meting mogelijkheden opent voor toekomstige studies van andere laagenergetische neutrino-interacties.
Professor Steven Biller van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford voegde eraan toe: “Neutrino’s van de zon zijn al vele jaren een intrigerend onderwerp van studie, en de metingen hiervan door ons voorganger-experiment, SNO, leidden tot de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2015. Het is opmerkelijk dat ons begrip van neutrino’s van de zon zoveel is gevorderd dat we ze nu voor het eerst kunnen gebruiken als een ‘teststraal’ om andere soorten zeldzame atomaire reacties te bestuderen!”
**Voortbouwend op een Nobel-erfenis**
SNO+ is de opvolger van het eerdere SNO-experiment, dat aantoonde dat neutrino’s wisselen tussen drie vormen – elektron-, muon- en tau-neutrino’s – terwijl ze van de zon naar de aarde reizen. Volgens SNOLAB-wetenschapper dr. Christine Kraus losten SNO’s oorspronkelijke bevindingen, geleid door Arthur B. McDonald, het langdurige probleem van neutrino’s van de zon op en droegen ze bij aan de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2015.
“Deze ontdekking gebruikt de natuurlijke aanwezigheid van koolstof-13 binnen de vloeistof van het experiment om een specifieke, zeldzame interactie te meten”, zei Kraus. “Voor zover wij weten, vertegenwoordigen deze resultaten de laagste energie-waarneming van neutrino-interacties op koolstof-13 kernen tot nu toe en biedt de eerste directe doorsnede-meting voor deze specifieke kernreactie.”
**Vooruitblik**
Deze doorbraak opent nieuwe perspectieven voor het neutrino-onderzoek en vergroot ons begrip van de fundamentele processen die het universum vormgeven. Door deze ongrijpbare ‘spookdeeltjes’ beter te begrijpen, komen wetenschappers dichter bij het ontrafelen van de mysteries van stervorming, kernfusie en de evolutie van het heelal zelf.