År 2009, tillämpad fysiker Peter Sturrock besökte National Solar Observatory i Tucson, Arizona, när observatoriets biträdande direktör sa till honom att han borde läsa en kontroversiell artikel om radioaktivt sönderfall. Även om ämnet låg utanför Sturrocks område, det väckte en tanke som var så spännande att han nästa dag ringde författaren till studien, Purdue University fysiker Ephraim Fischbach, att föreslå ett samarbete.

Fischbach svarade, "Vi höll på att ringa dig."

Mer än sju år senare, att samarbete kan resultera i en billig bordsenhet för att upptäcka svårfångade neutriner mer effektivt och billigt än vad som för närvarande är möjligt, och skulle kunna förenkla forskarnas förmåga att studera solens inre funktioner. Verket publicerades i numret 7 november av Solfysik .

"Om vi ​​har rätt, det betyder att neutriner är mycket lättare att upptäcka än vad folk har trott, sa Sturrock, professor emeritus i tillämpad fysik. "Alla trodde att det skulle vara nödvändigt med enorma experiment, med tusentals ton vatten eller annat material, som kan innebära enorma konsortier och stora kostnader, och du kanske får några tusen räkningar per år. Men vi kan få liknande eller ännu bättre data från ett experiment som endast involverar mikrogram radioaktivt material."

Varför, hur vi studerar neutriner

I tjugo år, Sturrock och hans kollega Jeff Scargle, astrofysiker och dataforskare vid NASA Ames Research Center, har studerat neutriner, subatomära partiklar utan elektrisk laddning och nästan noll massa, som kan användas för att lära sig om solens insida.

Kärnreaktioner i solens kärna producerar neutriner. En unik egenskap hos neutriner är att de sällan interagerar med andra partiklar och därför lätt kan fly från solen, ger oss information om den djupa solinredningen. Att studera neutriner anses vara det bästa sättet att få direkt information om solens centrum, vilket annars till stor del är ett mysterium. Neutrinos kan också ge oss information om supernovor, skapandet av universum och mycket mer.

På jorden, ett område som är lika stort som en nagel har 65 miljarder neutriner som passerar genom sig varje sekund. Men bara en eller två under en hel livstid kommer faktiskt att stanna i våra kroppar. Att studera neutriner involverar enorm utrustning och utgifter för att fånga tillräckligt mycket av de svårfångade partiklarna för undersökning.

För närvarande, guldstandarden för neutrinodetektion är Japans Super-Kamiokande, ett magnifikt observatorium för 100 miljoner dollar. Används sedan 1996, Super-Kamiokande ligger 1, 000 meter under marken. Den består av en tank fylld med 50, 000 ton ultrarent vatten, omgiven av cirka 13, 000 fotomultiplikatorrör. Om en neutrino kommer in i vattnet och interagerar med elektroner eller kärnor där, det resulterar i en laddad partikel som rör sig snabbare än ljusets hastighet i vatten. Detta leder till en optisk stötvåg, en ljuskon som kallas Cherenkov-strålning. Detta ljus projiceras på tankens vägg och registreras av fotomultiplikatorrören.

Tidigare utmaningar vid upptäckt

2002 års Nobelpris i fysik tilldelades Masatoshi Koshiba från Super-Kamiokande och Raymond Davis Jr. från Homestake Neutrino Observatory för utveckling av neutrinodetektorer och "för upptäckt av kosmiska neutriner." En förbryllande detalj i detta arbete var att, med sina banbrytande detektionsmetoder, de upptäckte en tredjedel till hälften så många neutrinos som förväntat, ett problem som kallas "solneutrinoproblemet". Denna brist ansågs först bero på experimentella problem. Men, när det bekräftades av Super-Kamiokande, underskottet accepterades som verkligt.

Året före Nobelpriset, dock, forskare tillkännagav en lösning på solneutrinoproblemet. Det visade sig att neutriner oscillerar mellan tre former (elektron, muon och tau) och detektorer var i första hand känsliga för endast elektronneutriner. För upptäckten av dessa svängningar, 2015 års Nobelpris i fysik tilldelades Takaaki Kajita från Super-Kamiokande och Arthur B. MacDonald från Sudbury Neutrino Observatory.

Även med dessa Nobelprisvärda utvecklingar inom forskning och utrustning till sitt förfogande, forskare kan fortfarande bara upptäcka några tusen neutrinohändelser varje år.

Ett nytt alternativ för forskning

Forskningen som Sturrock lärde sig om i Tucson gällde fluktuationer i sönderfallshastigheten för radioaktiva grundämnen. Fluktuationerna var mycket kontroversiella på den tiden eftersom man trodde att sönderfallshastigheten för alla radioaktiva grundämnen var konstant. Sturrock bestämde sig för att studera dessa experimentella resultat med hjälp av analytiska tekniker som han och Scargle hade utvecklat för att studera neutriner.

När man undersöker de radioaktiva sönderfallsfluktuationerna, teamet hittade bevis för att dessa fluktuationer matchade mönster de hade hittat i Super-Kamiokande neutrinodata, var och en indikerar en svängning på en månad som kan hänföras till solrotation. Den troliga slutsatsen är att neutriner från solen direkt påverkar beta-sönderfall. Detta samband har teoretiserats av andra forskare som går tillbaka 25 år, men Sturrock-Fischbach-Scargle-analysen lägger till de starkaste bevisen hittills. Om detta förhållande håller, en revolution inom neutrinoforskning kan vara på gång.

"Det betyder att det finns ett annat sätt att studera neutriner som är mycket enklare och mycket billigare än nuvarande metoder, " Sa Sturrock. "Några data, lite information, du kommer inte att få av beta-förfall, men bara från experiment som Super-Kamiokande. Dock, studien av beta-sönderfallsvariabilitet indikerar att det finns ett annat sätt att upptäcka neutriner, en som ger dig en annan syn på neutriner och solen."

Sturrock sa att detta kan markera början på ett nytt fält inom neutrinoforskning och solfysik. Han och Fischbach ser möjligheten med bänkdetektorer som skulle kosta tusentals snarare än miljoner dollar.

Nästa steg för nu är att samla in mer och bättre data och att arbeta mot en teori som kan förklara hur alla dessa fysiska processer hänger ihop.