Evreni araştırmak için plütonyumun kullanılması: Manyeto‑ν deneyi karanlık madde ve nötrino araştırmalarını ilerletiyor

Gökbilimciler karanlık maddeyi doğrudan göremiyorlar ama onun orada olduğunu biliyorlar: Onun yerçekimi galaksileri ve kozmosun büyük ölçekli yapısını şekillendiriyor. Bu gizli kütlenin bileşimini ortaya çıkarmak amacıyla Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki (LLNL) bir ekip, standart fizik modelinin ötesinde var olan parçacıkların kanıtlarını araştırıyor.

Nötrino fiziği için Manyetometri (Magneto-ν) adı verilen yeni bir deneysel kampanyada, LLNL’deki bilim adamları plütonyum-241’in nükleer beta bozunmalarını kullanarak steril nötrinoyu arıyorlar. Bu varsayımsal nötrino türü sıradan nötrinolardan önemli ölçüde daha ağırdır ve sıcak karanlık madde için önde gelen aday olarak kabul edilir. Çalışmalarının ilk bulguları yakın zamanda dergide yayınlandı. Fiziksel İnceleme C.

Bir plütonyum-241 atomu beta bozunmasına uğradığında, bir elektron ve bir antinötrino açığa çıkararak bir amerikan-241 atomuna dönüşür. Bu süreçte farklı nötrino kütleleri oluşturulabilir; kiloelektronvolt aralığında (sıcak karanlık maddeyle ilgili ölçek) bir kütleye sahip olabiliriz.

Kayıp enerjiyi okumak

Bu nötrinoları doğrudan tespit etmek son derece zordur çünkü nötrinolar maddeyle nadiren etkileşime girer. Magneto-ν deneyi farklı bir yaklaşım benimsiyor: Kaçan antinötrinonun kendisini gözlemlemeye çalışmak yerine, araştırmacılar diğer iki bozunma ürününün (elektron ve geri tepen amerikyum-241 atomu) enerjilerini hassas bir şekilde ölçüyor. Çürüme sırasında açığa çıkan toplam enerji bilindiğinden, görünmeyen antinötrino tarafından taşınan enerji yeniden oluşturulabilir.

Teknik, ekibin steril-nötrino karanlık maddesinin varlığına işaret edebilecek ince işaretleri ölçmesine olanak tanıyor. Eğer beta bozunması sırasında steril bir nötrino yayılırsa, kütlesini oluşturmak için belirli bir miktarda enerji taşıyacak ve ölçülen beta bozunması spektrumunda veya yeniden oluşturulan antinötrino enerji spektrumunda geride küçük bir bozulma bırakacaktır. Magneto-ν, plütonyum-241’in beta bozunma spektrumundaki bu kıvrımı tespit etmek için oldukça hassas bir manyetik mikrokalorimetre kullanır.

LLNL kadrolu fizikçisi Geon-Bo Kim, “Başarılı olursa, deney bilimin en büyük iki sorusunu yanıtlamamıza yardımcı olabilir: karanlık madde nedir ve nötrinoların kütlesi nasıldır” dedi.

Plütonyum-241 neden aramaya uyuyor?

Plütonyum-241 ideal bir kaynak sağlıyor çünkü beta bozunma spektrumu, yaklaşık 5 keV’lik ortalama yayılan beta enerjisiyle, steril-nötrino sıcak karanlık maddenin beklenen kütle aralığıyla aynı hizada. Magneto-ν, plütonyum-241 beta bozunumlarının antinötrinoları hariç tam bozunma enerjisini yakalamak için bu izotopu ultra hassas manyetik mikrokalorimetrelerle (MMC’ler) eşleştirir.

Kim, “Plütonyum son derece kontrollü bir nükleer malzeme olduğundan, çok az araştırma ortamı onu temel fizik açısından güvenli bir şekilde hazırlayabilir, işleyebilir ve ölçebilir” dedi. “LLNL, plütonyum-241’i sınır fiziğini keşfetmek için bir araç olarak kullanmak üzere nükleer malzemeler, radyokimya, dedektör geliştirme ve hassas ölçüm alanındaki uzmanlığı birleştirerek bu çalışma için benzersiz bir konuma sahiptir.”

İlk kampanyada, bir plütonyum-241 atomunun nükleer beta bozunmasından açığa çıkan enerji, süper iletken bir kuantum girişim cihazı (SQUID) tarafından tespit edilen MMC dedektörünün sıcaklığını artırır. Bu, araştırmacıların beta bozunma spektrumunu olağanüstü hassasiyet ve doğrulukla yeniden yapılandırmasına olanak tanır.

LLNL personel fizikçisi Chang Lee, “Dedektör, eşiğin üzerindeki her bozunmada salınan enerjinin neredeyse tamamını, neredeyse tekdüze algılama verimliliği ve güçlü enerji doğrusallığı ile yakalayarak spektral bozulmayı en aza indirir” dedi.

Şu ana kadar kesin bir sıfır sonuç

İlk 10 günlük deneyde steril bir nötrinoya dair kanıt bulunamasa da bulgular, plütonyum kullanılarak yapılan temel nötrino ve karanlık madde araştırmaları için yöntemin etkinliğini gösterdi ve plütonyum-241’in bugüne kadarki en doğru beta bozunma enerjisini bildirdi. Bu yaklaşım aynı zamanda dedektörden, kaynaktan veya spektrumun modellenme şeklinden kaynaklanabilecek temel sistematik belirsizlikleri de azaltır.

Ek dedektörler, pikselli sensör dizileri ve daha uzun ölçüm periyotları içeren gelecekteki büyük ölçekli deneylerle Magneto-ν, plütonyum-241 beta spektrumunda steril-nötrino imzalarını daha kesin bir şekilde arayabilir ve steril-nötrino karanlık maddeyi tahmin eden kozmolojik modelleri test edebilir.

Lee, “Bu türden doğrulanmış bir keşif, modern fizikte dönüm noktası niteliğinde bir sonuç olarak kabul edilecektir” dedi.