Zmniejszenie dystansu dzielącego przewidywania i obserwacje w fizyce neutrin
Neutrina to cząstki trudne do bezpośredniego zarejestrowania, między innymi z powodu masy znacznie mniejszej od masy wszystkich innych znanych nam cząstek elementarnych. Ponadto ich istnienia nie da się wyjaśnić tak zwanym modelem standardowym fizyki cząsteczkowej. Co więcej, ze względu na nieznaczne oddziaływanie z materią, neutrina przenikają Ziemię niemal niezauważone. Znamy trzy generacje neutrin: neutrino elektronowe, neutrino mionowe (mion) i neutrino taonowe (taon), ale pojawiają się też sugestie dotyczące występowania czwartej generacji tych cząstek, na razie określanej mianem „sterylnej”, ponieważ miałaby ona charakteryzować się jeszcze mniejszym stopniem oddziaływania z materią. Korzystając z wyników badań prowadzonych w ziemskich laboratoriach oraz uzupełniających je wyników pochodzących z sond kosmologicznych, naukowcy prowadzący projekt ENCORE, wspierany z działania „Maria Skłodowska-Curie”, opracowali narzędzia obliczeniowe i metody statystyczne pozwalające przygotować teoretyczne przewidywania dotyczące kilku zjawisk z udziałem neutrin. Wyniki obliczeń porównano z danymi uzyskanymi eksperymentalnie, aby opracować dokładne modele tych zjawisk. Stefano Gariazzo, pracujący w Instytucie Fizyki Cząsteczkowej (IFIC) – wspólnym centrum badawczym – wyjaśnia: „Mimo że narzędzia te są znane od pewnego czasu i naprawdę raczej proste, pierwsza taka próba zastosowania ich do fizyki neutrin była naprawdę ekscytującym doświadczeniem”. Badania prowadzone w ramach projektu połączyły pracowników Hiszpańskiej Krajowej Rady ds. Badań Naukowych (CSIC), która przyjęła rolę gospodarza projektu, oraz Uniwersytetu w Walencji.
Od reaktora jądrowego do początków wszechświata
Podczas prac nad projektem ENCORE wykorzystano wyniki eksperymentów prowadzonych na Ziemi, by wskazać problemy związane z prowadzeniem obliczeń dla anomalii w reaktorze jądrowym. Reaktory jądrowe są doskonałym źródłem emisji neutrin, ale oczekiwana liczba antyneutrin elektronowych nie zgadzała się z obserwacjami w licznych eksperymentach prowadzonych przy okazji pracy reaktora. Aby dopasować wyniki uzyskiwane za pomocą modelu możliwie dobrze do obserwacji, zespół projektu ENCORE zmienił wartości parametrów wprowadzone do obliczeń. „Ostatecznie nie udało się uzyskać pełnej zgodności. Między obliczeniami a doświadczeniem nadal występuje kilkuprocentowa różnica. Jednak nasze podejście jest o tyle istotne, że umożliwia lepsze zrozumienie działania reaktora jądrowego i będzie mogło być wykorzystywane do monitorowania pracy takich zakładów i w efekcie zapobiegania konstruowaniu broni jądrowej”, mówi Gariazzo, pracujący obecnie na Uniwersytecie w Walencji. Wiedząc, ile neutrin jest wytwarzanych w reakcjach rozpadów różnych izotopów, na podstawie pomiaru liczby neutrin opuszczających komorę reaktora monitory będą mogły ustalić skład reaktora. Oznacza to, że będą mogły wykrywać występowanie potencjalnych zmian paliwa, co może być oznaką odprowadzenia jego części w celu konstrukcji broni jądrowej. Wprawdzie w najstarszych informacjach dotyczących rozszerzania się wszechświata, na przykład w opisie danych dotyczących mikrofalowego promieniowania tła, preferuje się opis uwzględniający tylko trzy generacje neutrin, zespół odwołał się do wiedzy kosmologicznej, by zbadać możliwość występowania czwartej generacji. W ramach projektu ENCORE po raz pierwszy przeprowadzono pełne obliczenia drgań neutrin we wczesnym wszechświecie przy założeniu występowania czterech typów tych cząstek. Zespół przeprowadził też pierwsze obliczenia dotyczące „klasteryzacji neutrin reliktowych” zakładające gromadzenie się kosmicznych neutrin w duże skupiska w wyniku oddziaływania grawitacyjnego dużych struktur kosmologicznych w pobliżu Ziemi. Poprzednie tego typu obliczenia uwzględniały wyłącznie Drogę Mleczną, natomiast w projekcie ENCORE wzięto pod uwagę także sąsiednie galaktyki i gromady gwiazd. Jest to o tyle istotne, że zwiększenie objętości wykrywalnych neutrin pozwala lepiej poznać te trudno uchwytne cząstki. „Wszystkie wyniki nakładają ograniczenia na wartości parametrów opisujących drgania neutrin różnych generacji. Ograniczenia te będą niezwykle pomocne w dalszych badaniach nad kwestią tego, czy mamy do czynienia z trzema czy z większą liczbą generacji neutrin”, dodaje Sergio Pastor, kierownik projektu w IFIC w Walencji.
Praca trwa
Obecnie zespół stara się wykorzystać wyniki uzyskane podczas trwania projektu ENCORE w kodzie PArthENoPE do symulacji pierwotnej nukleosyntezy pozwalającej obliczyć wytwarzanie cząstek światła we wczesnej fazie życia wszechświata. Parametry uzyskane dla modeli ENCORE będą nieprzerwanie aktualizowane wraz z pojawianiem się w najbliższych latach nowych danych. W modelach zostaną użyte w ujęciu kosmologicznym dane pochodzące z instrumentu DESI oraz teleskopu Euclid. Dane pochodzące z obserwatorium JUNO, teleskopu ORCA i eksperymentu STEREO pozwolą zrozumieć lepiej zachowanie neutrin w reaktorach i atmosferze.
Słowa kluczowe
ENCORE, neutrino, kosmologia, jądrowy, reaktor, subatomowy, cząstka, fizyka, Ziemia, galaktyka, Droga Mleczna, model standardowy