در مدل استاندارد ذرات بنیادی، سه نوترینو و سه پادنوترینو وجود دارد که فقط در برهم‌کنشِ ضعیفِ هسته‌ای شرکت می‌جویند. این مدل، نوترینوها را هم‌واره چپ‌دست و پادنوترینوها را هم‌واره راست‌دست در نظر می‌گیرد و نیز عدد لپتونی را در حین برهم‌کنشِ‌ ضعیف، ثابت فرض می‌کند. مدل استاندارد، با وجود موفقیت‌های چشم‌گیر، پاسخ‌های رضایت‌بخشی در موردِ فیزیکِ نوترینوها نداده‌است. یکی از معماهای بحث‌برانگیزِ این حوزه، «نابه‌هنجاریِ پادنوترینو» است.

رآکتورهای هسته‌ای، چشمه‌های قویِ نوترینو هستند که هم‌چنان‌که فرآورده‌های شکافت، دست‌خوشِ واپاشیِ بتا¹ می‌شوند، در هر ثانیه بیش از 10²⁰ پادنوترینو تولید می‌کنند. آشکارسازیِ این پادنوترینوها می‌تواند به منظور پایش رآکتورها در برنامه‌های منع گسترش تسلیحات و هم‌چنین به منظور آزمونِ پرسش‌های بنیادی در فیزیکِ نوترینوها استفاده شود: اندازه‌گیری‌های اخیر نشان داده‌است که شارِ پادنوترینوی اندازه‌گیری‌شده از مقدارِ پیش‌بینی‌شده کم‌تر است؛ یافته‌ای گیج‌کننده که به عنوان «نابه‌هنجاریِ پادنوترینو²» شناخته می‌شود. چنین کم‌بودی می‌تواند حاکی از گم شدنِ برخی نوترینوها باشد، مثلاً با تبدیل به نوترینوهای آشکاری‌ناپذیرِ «سترون³» که در مدل استاندارد پیش‌بینی نشده‌اند. اکنون محاسبات دانشمندانی از مرکز ملی داده‌های هسته ای در آزمایش‌گاه ملی بروک‌هاوِن در نیویورک⁴، ممکن است به مدل‌های به‌تری از گسیلِ پادنوترینو، هم برای مطالعات بنیادی و هم برای کاربرد، رهنمون شود. نتایج نشان می‌دهد که فقط کمی از صدها شکافت‌پاره‌یِ ممکن‌، مسئولِ بیش‌ترِ پادنوترینوهایِ آشکاری‌پذیرِ گسیلیده توسط یک رآکتورِ شکافت هستند.

این پژوهش‌گران با استفاده از «روشِ جمع‌زنی⁵»، طیف‌های پادنوترینو را مدل‌سازی کردند: آنان طیفِ پادنوترینوهای گسیلیده را برای چهار هسته‌ی شکافت‌پذیرِ مهم‌ترِ موجود در سوختِ رآکتور‌های متداول (اورانیوم-235، اورانیوم-238، پلوتونیوم-239، و پلوتونیوم-241)، با جمع‌زنیِ سهمِ هر شکافت‌پاره‌یِ ممکن، محاسبه کردند. تحلیل این پژوهش‌گران نشان داد که از میان بیش از 800 نوکلاید که می‌توانند در گسیلِ پادنوترینو نقش داشته‌باشند، فقط مشتی از نوکلایدها (به طور ویژه، 92-روبیدیوم و 96-ایتربیوم)، بیش‌ترِ نوترینو‌ها را تامین می‌کنند؛ مخصوصاً در طرفِ پرانرژیِ طیف که انتظار می‌رود ناهم‌خوانیِ نظریه و آزمایش‌ها بزرگ‌تر باشد. نتایج پیش‌نهاد می‌دهد که برای رویارویی با نابه‌هنجاری پادنوترینو با مدل‌هایی دقیق‌تر، آزمایش‌ها باید بر تشخیص این چند هسته‌ی کلیدی متمرکز شوند؛ چرا که تغییرات کوچک در پارامترهای واپاشیِ بتای آن‌ها، تاثیرِ نیرو‌مندی بر گسیلِ پادنوترینو خواهد‌داشت.

این پژوهش، در Physical Review C انتشار یافته است.

1 beta decay

2 antineutrino anomaly

3 sterile neutrino

4 National Nuclear Data Center at Brookhaven National Laboratory, New York

5 summation method

منبع: Synopsis: Whence Antineutrinos?

مرجع:

Nuclear structure insights into reactor antineutrino spectra

A. A. Sonzogni, T. D. Johnson, and E. A. McCutchan

Phys. Rev. C 91, 011301 (2015)

Published January 8, 2015