Eksperiment Magneto-ν unapređuje istraživanje tamne materije i neutrina pomoću plutonijuma

Astronomi ne mogu da vide tamnu materiju direktno, ali znaju da je prisutna: njena gravitacija oblikuje galaksije i strukturu kosmosa u velikim razmerama. Pokušavajući da otkriju sastav ove skrivene mase, naučnici iz Nacionalne laboratorije Livermor tragaju za dokazima čestica koje postoje izvan standardnog modela fizike.

U novoj eksperimentalnoj kampanji nazvanoj Magnetometrija za fiziku neutrina (Magneto-ν), naučnici tragaju za sterilnim neutrinom koristeći nuklearne beta-raspade plutonijuma-241. Ova hipotetička vrsta neutrina je značajno teža od običnih neutrina i smatra se vodećim kandidatom za toplu tamnu materiju.

Preporučujemo

Kad atom plutonijuma-241 doživi beta-raspad, transformiše se u atom americijuma-241, oslobađajući elektron i antineutrino. U ovom procesu mogu nastati različite mase neutrina; jedna bi mogla biti na nivou kiloelektronvolti —razmera koja je relevantna za toplu tamnu materiju.

Direktna detekcija ovih neutrina je izuzetno teška jer neutrini retko ulaze u interakciju sa materijom. Eksperiment Magneto-ν ima drugačiji pristup: umesto pokušaja da posmatraju sam bežeći antineutrino, istraživači precizno mere energije druga dva proizvoda raspada — elektrona i atoma americijuma-241. Pošto je ukupna energija oslobođena u raspadu poznata, energija koju odnosi nevidljivi antineutrino može se rekonstruisati.

Ova tehnika omogućava da se izmere suptilni potpisi koji bi mogli ukazivati na prisustvo sterilnog neutrina kao tamne materije. Ako se tokom beta-raspada emituje sterilni neutrino, on bi odneo specifičnu količinu energije kako bi formirao svoju masu, ostavljajući sićušno iskrivljenje u izmerenom spektru beta-raspada ili u rekonstruisanom spektru energije antineutrina. Magneto-ν koristi visokoosetljivi magnetni mikrokalorimetar za detekciju ovog iskrivljenja u spektru beta-raspada plutonijuma-241.

„Ako bude uspešan, eksperiment bi nam mogao pomoći da odgovorimo na dva najveća pitanja u nauci: šta je tamna materija i kako neutrini imaju masu”, kažu istraživači.

Plutonijum-241 predstavlja idealan izvor jer je njegov spektar beta-raspada u skladu sa očekivanim masenim opsegom sterilnog neutrina kao tople tamne materije, sa prosečnom emitovanom beta-energijom od oko 5 keV. Magneto-ν uparuje ovaj izotop sa ultraosetljivim magnetnim mikrokalorimetrima da bi zabeležio ukupnu energiju raspada, minus antineutrini, beta-raspada plutonijuma-241.

„Plutonijum je strogo kontrolisan nuklearni materijal i malo istraživačkih okruženja može bezbedno da ga koristi. Naša laboratorija je specijalno pozicionirana za ovaj rad, sa ekspertizom u pogledu nuklearnih materijala, radiohemije, razvoja detektora i preciznog merenja kako bi koristila plutonijum-241 kao sredstvo za istraživanje graničnih oblasti fizike”, kažu istraživači.

Na početku energija oslobođena nuklearnim beta-raspadom atoma plutonijuma-241 povećava temperaturu detektora, što detektuje superprovodni kvantni interferometar. Ovo omogućava istraživačima da rekonstruišu spektar beta-raspada sa izuzetnom preciznošću.

Iako početni 10-dnevni eksperiment nije pronašao dokaze o sterilnom neutrinu, nalazi su demonstrirali efikasnost metode za fundamentalno istraživanje neutrina i tamne materije pomoću plutonijuma i predstavili dosad najtačniju energiju beta-raspada plutonijuma-241. Ovaj pristup takođe umanjuje ključne sistematske neizvesnosti koje mogu da stignu od detektora, izvora ili načina na koji se spektar modelira.

Sa budućim eksperimentima velikih razmera koji uključuju dodatne detektore, pikselovane postavke senzora i duže periode merenja, Magneto-ν bi mogao preciznije da traga za potpisima sterilnog neutrina u beta-spektru plutonijuma-241, testirajući kosmološke modele koji predviđaju sterilni neutrino kao tamnu materiju.

(Telegraf Nauka/Phys.org)