Neutriinojen havaitseminen

Neutriinoja ei nähdä suoraan. Ne voidaan havaita ainoastaan niiden aiheuttamien reaktioiden avulla. Tällöinkin on olemassa erehdyksen vaara, koska samanlaisia reaktioita voi tapahtua muistakin syistä. Siksi neutriinokokeet onkin sijoitettava hyvin suojatuihin paikkoihin syvälle maan alle.

Neutriinon havaitseminen ja tunnistaminen perustuu seuraaviin reaktioihin:

Elastinen sironta elektronista

Kaikki neutriinot ja antineutriinot voivat sirota elektronista neutraalivirtojen (Z-vaihto) avulla, mutta elektronin neutriinot ja antineutriinot voivat myös vuorovaikuttaa varatun virran (W) kautta. Siksi vaikutusalat skaalautuvat suhteessa:

  • elektronin neutriino:
  • elektronin antineutriino:
  • muut neutriinot
Vaikutusala ja siten vuorovaikutustodennäköisyys on verrannollinen neutriinon energian neliöön.

Reaktio tunnistetaan havaitsemalla neutriinon potkaisema elektroni. Siihen voidaan käyttää joko Tserenkovin ilmaisinta tai tuikeilmaisinta. Yleensä elektroni saa impulssin suurinpiirteen neutriinon kulkusuuntaan, joten neutriinolähteen suunta saadaan selville, kun havaintoaineistoa on riittävästi.

Elastinen sironta ytimestä

Neutriino siroaa ytimestä neutraalivirran välityksellä. Kvanttimekaanisista syitä tämän reaktion todennäköisyys on verrannollinen ytimen massaluvun neliöön, koska eri nukleoneista sironneet neutriinoaallot interferoivat vahvistavasti, niin kauan kuin neutriinon energia on alle 100 MeV. Reaktion todennäköisyys on likimain suoraan verrannollinen energiaan.

Elastinen sironta raskaasta ytimestä on neutriinon todennäköisin vuorovaikutuskanava. Sitä on kuitenkin erittäin vaikea käyttää neutriinon tunnistamiseen, koska ydin saa neutriinolta hyvin pienen impulssin, joka hukkuu taustahäiriöihin. Hyvin raskaat neutriinot tai neutriinonkaltaiset hiukkaset voivat kuitenkin aiheuttaa havaittavan energian siirron. Ilmiötä yritetään käyttää hyväksi etsittäessä linnunradan pimeää ainetta.

Epäelastinen sironta protonista.

Elektronin antineutriino voi aiheuttaa väännettyä beta hajoamista vastaavan reaktion törmätessään protoniin. Lopputuloksena syntyy neutroni ja positroni, joka on havaittavissa kuten elektroni. Myös neutroni voidaan havaita eräissä kokeissa, kun se aiheuttaa gammapulssin absorboituessaan johonkin ytimeen.

Tämän reaktion todennäköisyys on huomattavasti suurempi kuin elastisella sironnalla elektronista. Siksi elektronin antineutriinojen havaitseminen on huomattavasti helpompaa kuin elektronin neutriinojen. Positronien kulmajakauma on kuitenkin melkein isotrooppinen, joten neutriinojen tulosuuntaa ei voi määrittää. Vaikutusala on suoraan verrannollinen energiaan.

Varatun virran ydinreaktio

Elektronin neutriino voi aiheuttaa W-vaihdolla reaktion, jossa neutroni muuttuu protoniksi. Mikäli energia ei riitä ytimen hajottamiseen, on lopputuloksena uusi ydin samalla massaluvulla. Parhaiten neutriinovuo saadaan mitatuksi laskemalla syntyneet ytimet. Tämä onnistuu vain hyvin harvoilla alkuaineilla, toistaiseksi on käytetty kloori-37 ja gallium-isotooppeja.

Reaktion todennäköisyys riippuu neutriinon energiasta joskus ei-triviaalilla tavalla. Reaktiolla on aina tietty kynnysenergia, jota matalampienergisia neutriinoja ei voi havaita. Seuraavassa taulukossa on eräiden nuklidien kynnysenergioita:

Syntynyttä elektronia ei yleensä havaita.

Epäelastinen sironta ytimestä neutraalivirralla.

Neutraalivirrat voivat virittää ytimen korkeampaan tilaan tai jopa hajoittaa sen kokonaan. Esimerkiksi deuterium voi hajota protoniksi ja neutroniksi. Neutronit voidaan tunnistaa niiden absorboitumisessa syntyneen fotonin avulla. Reaktiota käytetään alkaneessa SNO-kokeessa Sudburyssa.

Säteilyn ilmaisimet

Joskus joku kirjoittakoon jotakin ilmaisinteknologiasta.
Juha Peltoniemi