Bằng chứng đầu tiên về phản neutrino trong máy dò nước Cherenkov

Các hạt phản neutrino, bản sao phản vật chất của neutrino, hầu như không có khối lượng và điện tích, và hầu như không bao giờ tương tác với những hạt khác nên rất khó để dò được. Các nhà vật lý từng nghiên cứu về hạt neutrino từ các lò phản ứng hạt nhân trong nhiều năm, và sử dụng các máy dò nhấp nháy.

Các nỗ lực này dẫn đến các phát hiện vật lý đáng kể, từ cuộc dò hạt neutrino đầu tiên vào cuối những năm 1950 đo đạc được các tham số dao động neutrino. Vì các hạt neutrino rất khó tương tác với những hạt khác, về cơ bản cũng khó dò được chúng. Người ta dò các hạt neutrino được sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân thông qua cơ chế phân rã beta nghịch đảo. Đây là một tín hiệu từ quá trình phản ứng hạt nhân, bao gồm một electron antineutrino với một proton, tạo ra một positron và một neutron.

Thực nghiệm SNO+, một nỗ lực nghiên cứu quy mô lớn để thu thập dữ liệu bằng việc sử dụng máy dò hạt đa mục tiêu tại SNOLAB, gần đây đã thu thập được bằng chứng đầu tiên về các phản neutrino từ lò phản ứng, bên trong một máy dò nước Cherenkov (một dạng máy dò hạt dò được bức xạ và tái cấu trúc thông tin về các hạt). Bài báo của họ, xuất bản trên Physical Review Letters, có thể tiến xa hơn trên con đường tìm các hạt phản neutrino bằng các máy dò nước Cherenkov ¹.

“Mục tiêu chính của thực nghiệm SNO+ là thực hiện một cuộc tìm kiếm siêu nhạy cho phân rã beta kép không neutrino bằng một scintillator lỏng chứa tellurium”, Logan Lebanowski trao đổi với Phys.org về công việc của nhóm hợp tác SNO+. “Với máy dò hiện có scintillator, SNO+ đang tiến hành đo đạc sự phân tách khối lượng neutrino m²₂₁ bằng các phản neutrino từ lò phản ứng. Trước khi làm điều này, nhóm hợp tác đã đổ vào máy dò nước để hiệu chuẩn các thành phần của máy dò và tính chất của phông phóng xạ bên trong”.

Để đem lại độ nhạy đủ tốt cho đo đạc các hạt phản neutrino lò phản ứng máy dò của SNO+ với scintillator lỏng, nhóm hợp tác SNO+ dự tính khả năng quan sát các phản neutrino bằng nước. Máy dò này có tỷ lệ muon cảm ứng nền từ khí quyển quanh các máy dò nước Cherenkov thấp nhất, nhờ đó cải thiện được đáng kể cơ hội dò các phản neutrino của nhóm nghiên cứu.

Máy dò SNO+ là một thùng acrylic lớn có đường kính 12m. Tại thời điểm diễn ra thực nghiệm, nó chứa đầy nước siêu tinh khiết. “Nó đem đến một khối lượng lớn các hạt để tương tác và tạo ra ánh sáng”, Christine Kraus giải thích. “Ánh sáng này sau đó có thể tái sắp xếp bằng các thiết bị nhân quang (Photomultipliers), chúng tôi có khoảng 9500 chiếc xung quanh thùng acrylic, được đặt trên đỉnh của một cấu trúc thép. Các thiết bị nhân quang này có thể chuyển các tín hiệu photon thành tín hiệu điện mà sau đó có thể xử lý được. Nhờ vậy chúng tôi có thể xác định mức năng lượng và vị trí của sự kiện đó”.

Khi cố gắng dò các phản neutrino từ lò phản ứng hạt nhân, các nhà vật lý tìm kiếm một tín hiệu độc nhất gọi là “tín hiệu trùng hợp”, chỉ dấu rõ ràng cho sự hiện diện của phản neutrino. Kraus và nhóm nghiên cứu SNO+ đã tìm tín hiệu này trong dữ liệu thu thập được trong giai đoạn 190 ngày thí nghiệm. Để trích xuất được dữ liệu, họ đã thực hiện hai phân tích độc lập và thu về nhiều kết quả thích hợp.

“Điều này có ý nghĩa với chúng tôi – và là nghiên cứu đầu tiên sử dụng máy dò nước – bởi vì hiệu quả dò neutron của chúng tôi rất cao”, Lebanowski nói. “Neutron được tạo ra trong một phân rã beta kép không neutrino beta bắt hydrogen trong nước và tạo ra 2.2-MeV , bất chấp mức năng lượng của phản neutrino liên quan. Do đó, việc đạt được mức dò 2.2-MeV với hiệu suất cao hơn có thể tác động trên một phạm vi rộng tìm kiếm và đo đạc phản neutrino bằng các máy dò nước Cherenkov”.

Nhóm hợp tác SNO+ là nhóm đầu tiên dò được các phản neutrino trong máy dò nước Cherenkov. Họ đã làm được điều này bằng việc sử dụng nước siêu tinh khiết và tối thiểu bức xạ tự nhiên trong máy dò, vốn có thể tạo ra sự trùng hợp giữa các sự kiện nền tương đồng với tín hiệu mà họ đang tìm kiếm. Trong tương lai, kết quả của nghiên cứu và phương pháp nhóm hợp tác SNO+ áp dụng có thể cho thêm thông tin về các cuộc tìm kiếm và đo đạc phản neutrino bằng máy dò nước Cherenkov.

“Việc quan sát các phản hạt neutrino từ lò phản ứng với nước tinh khiết chứng tỏ là chúng có thể được quan sát với một môi trường đích không độc hại, an toàn, dễ dàng thao tác và giá thành rẻ, do đó phù hợp cho sử dụng ở mọi nơi, mọi chỗ và mọi thời điểm chúng ta cần”,  Lebanowski nói. “Phân tích này cũng chứng tỏ khả năng của các máy dò nước Cherenkov để tạo ra các đo đạc ở mức năng lượng thấp, và năng lực phân biệt tín hiệu cần từ phông phóng xạ hiện diện trong phần lớn các máy dò”.

Một nguyên nhân chính giúp giải thích tại sao các máy dò nước Cherenkov có thể phân biệt các tín hiệu trùng hợp với các tín hiệu nền không liên quan là chúng đem lại một hướng ước tính các hạt liên quan. Không thể có được điều này với các máy dò scintillator, dẫu nó là một phần trong nghiên cứu tương lai của nhóm hợp tác SNO+.

“Với scintillator lỏng, chúng tôi chờ đợi có một tín hiệu phản neutrino thậm chí còn tốt hơn, không chỉ từ các lò phản ứng mà còn từ phóng xạ tự nhiên ở chính trái đất – các hạt neutrino đất”, Kraus cho biết thêm. “Trước đây chỉ có hai lần đo đạc được chúng – một ở Nhật Bản với thực nghiệm KAMLAND và một ở châu Âu với thực nghiệm Borexino. Chúng tôi có thể là nhóm đầu tiên ở Bắc Mỹ thực hiện thí nghiệm dạng này, hiện đang được xác định địa điểm ở Canada. Điều này rất thú vị vì cấu trúc thí nghiệm này khác biệt với thí nghiệm ở hai địa điểm kia”.

Thanh Đức tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-04-sno-collaboration-evidence-antineutrinos-cherenkov.html

https://interestingengineering.com/science/detect-antineutrinos-using-water-only

———————————————

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.091801