השותפות המדעית הבינלאומית XENONnT הודיעה אתמול (יום ד') על המדידה הראשונה של רתיעה גרעינית באנרגיה נמוכה מנייטרינים שנוצרו בתגובות גרעיניות בתוך השמש, כאלה שמערבות את דעיכת היסוד בורון 8. על המדידה פורסם בכנס IDM ב-L'Aquila (איטליה).
XENONnT הוא ניסוי בינלאומי לחיפוש ישיר של חומר אפל, הממוקם במעבה האדמה במעבדות הלאומיות של גראן סאסו (LNGS) באיטליה. זהו אחד מהמתקנים המחקריים המתקדמים ביותר בעולם לפיזיקת חלקיקים ואסטרופיסיקה, שמספק סביבה ייחודית המפחיתה באופן משמעותי קרינה קוסמית.
קבוצת המחקר של פרופ' רני בודניק מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן למדע שותפה במחקר זה, ובין השאר בנתה את מערכות השליטה והכיול וכן לקחה חלק בניתוח הנתונים. בקבוצה חברים ד"ר לורן לוינסון, ד"ר הגר לנדסמן, ד"ר ז'אק פינאר, ברברה פטץ', מיכה וייס ויוסי מוסבכר.
במכון ויצמן למדע אמרו כי מלבד חלקיקי חומר אפל היפותטיים, לפי התחזית המדעית רבת השנים גם נייטרינים מהשמש צפויים להיות ניתנים לגילוי בגלאים שנבנו כדי לחפש אותות רתיעה גרעינית מחומר אפל, ובלבד שגלאים אלה יגיעו ל"חשיפה" ול"רגישות" מספיקים.
חשיפה מתייחסת לכמה זמן חיכינו ובכמה חומר השתמשנו כדי לצפות בחלקיקים. רגישות עוסקת בכמה טובים אנחנו בזיהוי החלקיקים הקטנים ביותר. צפייה באות החלש הזה, עם אנרגיות בקושי ניתנות לזיהוי בגלאי "השלכת זמן" (Time Projection) עם קסנון נוזלי, כמו XENONnT, דורשת ביצועים מעולים של הגלאי ושיטות מתוחכמות להפרדת האות מהרקע. המדידה מאשרת את ההבנה של האותות בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר ב-XENONnT.
"ההישג הזה הוא תוצאה של עבודה קשה, התמדה ושיתוף פעולה של מדענים מעולים מקבוצות שונות. ניסויי חומר אפל כמו XENONnT מותחים את הגבולות של יכולת הגילוי האנושית, ובאופן ישיר תורמים גם לגילויים בתחומים משיקים - במקרה זה של נייטרינים מהשמש, אבל כמובן שהיו ויהיו עוד תחומים נוספים. זה משמח אותנו מאוד", אמר פרופ' בודניק.
עוד אמרו במכון ויצמן למדע כי הגלאי המרכזי של XENONnT הוא תא השלכת זמן (TPC) בשני מצבי צבירה עם 5.9 טונות של קסנון נוזלי אולטרה-טהור כמטרה פעילה. הוא עוצב להיות רגיש לאינטראקציות נדירות של מועמדים פוטנציאליים לחומר אפל. כדי להשיג ביצועים מתקדמים, ניסוי XENONnT משתמש בכמה תתי-מערכות מתקדמות, כגון מערכת קריוגניקה לשמירה על הקסנון הנוזלי בטמפרטורה הנמוכה הנדרשת, מפעל זיקוק קריוגני מקוון להסרה פעילה של אלמנטים רדיואקטיביים המומסים בקסנון, ומערכות בקרה ורכישת נתונים מתקדמות. מיכל מים של 700 טון עם מערכות ווטו אקטיביות לנייטרונים ומיואונים על ידי קרינת צ'רנקוב מקיף את ה-TPC של XENONnT כדי להפחית את הרקע.
נייטרינים מהשמש יכולים לבצע אינטראקציה עם הגרעינים של אטומי הקסנון באמצעות פיזור אלסטי קוהרנטי של נייטרינו-גרעין (CEvNS). תהליך זה של המודל הסטנדרטי, שנחזה לראשונה ב-1974, היה מאתגר לצפייה בשל רתיעה באנרגיה נמוכה מאוד וטבעם החמקמק של נייטרינים. רק ב-2017, ניסוי COHERENT דיווח על התצפיות הראשונות של CEvNS עם נייטרינים באנרגיה גבוהה יותר ממקור הנייטרינים באוק רידג', טנסי.
כעת, XENONnT הוא הניסוי הראשון שמדד CEvNS מנייטרינים שנוצרו בליבת השמש, ומדד את תהליך ה-CEvNS עם היסוד קסנון. XENONnT מצטרף לרשימת הניסויים המפורסמים של נייטרינים מהשמש, שבדרך כלל דורשים מסות גלאים הגדולות פי 500-10.
במכון ויצמן למדע סיכמו ואמרו כי יכולות הגילוי באנרגיה נמוכה של XENONnT והסביבה ברקע אולטרה-נמוך אפשרו מדידה ראשונה זו. הניתוח השתמש בנתונים שנאספו במשך שנתיים, מ-7 ביולי 2021 עד 8 באוגוסט 2023, בסך כולל של כ-3.5 טון-שנים. נמדד עודף של אירועי רתיעה גרעינית באנרגיה נמוכה על פני הרקע המצופה, תואם לאות מאינטראקציות של נייטריני בורון-8 מהשמש, עם מובהקות סטטיסטית של 2.7 סיגמא, כלומר יש כ-0.35% סיכוי שהאות הנצפה נובע מרעש רקע. הסטודנטים לתארים מתקדמים והפוסט-דוקטורנטים של השותפות הובילו את פיתוח הניתוח המפורט. התוצאה הושגה באמצעות ניתוח עיוור, כלומר אזור האות נשאר מוסתר מעיני המדענים עד שכל שלבי הניתוח נקבעו כדי למנוע הטייה אנושית.
זו המדידה הראשונה של פיזור אלסטי קוהרנטי של נייטרינו-גרעין ממקור נייטרינו אסטרופיסיקלי. יתרה מזו, תוצאה משמעותית זו פותחת פרק חדש בתחום הגילוי הישיר של חומר אפל. XENONnT התחיל לחקור את מה שמכונה ערפל הנייטרינו, שבו אינטראקציות נייטרינים הופכות להיות רקע שיכול לחקות אותות של חומר אפל. XENONnT ממשיך לאסוף נתונים, והשותפות הבינלאומית מצפה לתגליות מרגשות נוספות בתחום פיסיקת החלקיקים, הפיזיקה הגרעינית והאסטרופיזיקה.
