Τα νετρίνα είναι από τα πιο φευγαλέα σωματίδια στο σύμπαν. Κάθε δευτερόλεπτο, περίπου 60 δισεκατομμύρια από αυτά διαπερνούν κάθε τετραγωνικό εκατοστό της Γης, προερχόμενα από τον Ήλιο. Επειδή αλληλεπιδρούν σπάνια με την ύλη, κινούνται μέσα από τον πλανήτη χωρίς καμία αντίσταση.
Αν και οι επιστήμονες πρότειναν την ύπαρξή τους εδώ και πολλές δεκαετίες, χρειάστηκαν χρόνια μέχρι να παρατηρηθούν επιτυχώς. Συνήθως, η ανίχνευση νετρίνων απαιτεί τεράστιο και εξαιρετικά ευαίσθητο εξοπλισμό, λόγω της εξαιρετικά ασθενούς αλληλεπίδρασής τους με την ύλη.
Πλέον, ερευνητές από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck (MPIK) στην Χαϊδελβέργη πραγματοποίησαν μία σημαντική ανακάλυψη: χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή μόλις 3 κιλών, το πείραμα CONUS+ κατέγραψε αντινετρίνα που παράγονται από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα.
Από τους σταθμούς ενέργειας στην ακρίβεια: Η CEvNS σε δράση
Το αρχικό πείραμα CONUS είχε εγκατασταθεί στον γερμανικό πυρηνικό σταθμό Brokdorf, αλλά το καλοκαίρι του 2023 μεταφέρθηκε στον πυρηνικό σταθμό Leibstadt (KKL) στην Ελβετία. Η μεταφορά, μαζί με τις αναβαθμίσεις στους ανιχνευτές ημιαγωγών γερμανίου ενός κιλού και τις ιδανικές συνθήκες μέτρησης στον KKL, επέτρεψαν στους ερευνητές να ανιχνεύσουν για πρώτη φορά σε αυτό το περιβάλλον τη σπάνια διεργασία που ονομάζεται Συνεκτική Ελαστική Σκέδαση Νετρίνου-Πυρήνα (CEvNS).
Στη CEvNS, ένα νετρίνο δεν αλληλεπιδρά με τα επιμέρους πρωτόνια ή νετρόνια ενός πυρήνα, αλλά με ολόκληρο τον πυρήνα ως ενιαία μονάδα. Αυτή η αλληλεπίδραση αυξάνει την πιθανότητα να προκληθεί μία εξαιρετικά λεπτή αλλά μετρήσιμη ανάκρουση του πυρήνα.
Για να φανταστεί κανείς το φαινόμενο, αρκεί να σκεφτεί μία μπάλα του πινγκ-πονγκ να χτυπά ένα σταθμευμένο αυτοκίνητο – το αυτοκίνητο μόλις που κινείται, αλλά η κίνηση αυτή μπορεί να καταγραφεί. Στην περίπτωση του CONUS+, οι πυρήνες των ατόμων γερμανίου λειτουργούν ως τα «αυτοκίνητα» που καταγράφουν αυτή την ανάκρουση. Για την παρατήρηση του φαινομένου απαιτούνται νετρίνα χαμηλής ενέργειας, τα οποία παράγονται σε τεράστιες ποσότητες μέσα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Ιστορικό ορόσημο: Ανίχνευση αντιδραστηριακών νετρίνων με πλήρη συνεκτικότητα
Το φαινόμενο είχε προβλεφθεί ήδη από το 1974, αλλά επιβεβαιώθηκε πειραματικά για πρώτη φορά το 2017 από το πείραμα COHERENT σε έναν επιταχυντή σωματιδίων. Το πείραμα CONUS+ κατάφερε τώρα να παρατηρήσει το φαινόμενο σε πλήρη συνεκτικότητα και σε χαμηλότερες ενέργειες μέσα σε πυρηνικό αντιδραστήρα, για πρώτη φορά, όπως περιγράφεται σε πρόσφατο άρθρο στο περιοδικό Nature.
Η συμπαγής διάταξη του CONUS+ είναι τοποθετημένη σε απόσταση 20,7 μέτρων από τον πυρήνα του αντιδραστήρα. Σε αυτό το σημείο, πάνω από 10 τρισεκατομμύρια νετρίνα περνούν από κάθε τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας κάθε δευτερόλεπτο. Μετά από περίπου 119 ημέρες μέτρησης, από το φθινόπωρο του 2023 έως το καλοκαίρι του 2024, οι ερευνητές μπόρεσαν να εξάγουν μία υπέρβαση 395±106 σημάτων νετρίνων, αφαιρώντας όλους τους θορύβους και παρεμβολές από τα δεδομένα του CONUS+. Η τιμή αυτή συμφωνεί πολύ καλά με τις θεωρητικές προβλέψεις, εντός των ορίων αβεβαιότητας της μέτρησης.
«Καταφέραμε έτσι να επιβεβαιώσουμε την ευαισθησία του πειράματος CONUS+ και την ικανότητά του να ανιχνεύει τη σκέδαση αντινετρίνων από ατομικούς πυρήνες», εξηγεί ο Dr. Christian Buck, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Τονίζει επίσης τη μελλοντική δυνατότητα ανάπτυξης μικρών, φορητών ανιχνευτών νετρίνων για την παρακολούθηση της ισχύος ή της σύστασης ισοτόπων στους αντιδραστήρες.
Ανοίγοντας νέες πόρτες στη φυσική: Το μέλλον του CONUS+
Η μέτρηση CEvNS παρέχει μοναδικές πληροφορίες για θεμελιώδεις φυσικές διεργασίες στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, της θεωρίας που περιγράφει τη δομή του σύμπαντος μας. Συγκριτικά με άλλα πειράματα, οι μετρήσεις του CONUS+ επιτρέπουν μικρότερη εξάρτηση από τα πυρηνικά μοντέλα, βελτιώνοντας έτσι την ευαισθησία σε νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Για αυτόν τον λόγο, το CONUS+ εξοπλίστηκε ήδη το φθινόπωρο του 2024 με βελτιωμένους και μεγαλύτερους ανιχνευτές. Με την επακόλουθη αύξηση στην ακρίβεια των μετρήσεων, αναμένονται ακόμη καλύτερα αποτελέσματα.
«Οι τεχνικές και μέθοδοι του CONUS+ έχουν εξαιρετικές προοπτικές για θεμελιώδεις νέες ανακαλύψεις», τονίζει ο καθηγητής Lindner, εμπνευστής του έργου και επίσης συν-συγγραφέας της μελέτης. «Τα πρωτοποριακά αποτελέσματα του CONUS+ μπορούν να αποτελέσουν την αφετηρία για ένα νέο πεδίο στην έρευνα νετρίνων».
Αναφορά: «Άμεση παρατήρηση της συνεκτικής ελαστικής σκέδασης αντινετρίνων-πυρήνων» από τους N. Ackermann, H. Bonet, A. Bonhomme, C. Buck, K. Fülber, J. Hakenmüller, J. Hempfling, G. Heusser, M. Lindner, W. Maneschg, K. Ni, M. Rank, T. Rink, E. Sánchez García, I. Stalder, H. Strecker, R. Wink και J. Woenckhaus, 30 Ιουλίου 2025, Nature .
DOI: 10.1038/s41586-025-09322-2
