På jagt efter sterile neutrinoer

På det sidste, neutrinoer – de små, næsten masseløse partikler, som mange videnskabsmænd studerer for bedre at forstå universets grundlæggende virkemåde - har været et problem for fysikere.

De ved, at disse partikler produceres i et enormt antal af nukleare reaktioner som dem, der finder sted i vores sol. De ved også, at neutrinoer ikke interagerer særlig ofte med stof; milliarder af dem gik gennem din hånd i den tid, det tog dig at læse denne sætning.

Men i et væld af eksperimenter rundt om i verden, forskere finder et underskud i antallet af neutrinoer, de ser i forhold til, hvad de forventer at se, baseret på teori. Og dette har intet at gøre med skiftet frem og tilbage mellem de tre varianter af neutrino, som fysikerne også allerede kender til.

En mulig forklaring er, at der er en fjerde slags neutrino, som ikke er blevet opdaget. Det kaldes en steril neutrino. Og NIST-forskere vil begynde at lede efter det næste år som en del af Precision Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT), et samarbejde, der involverer 68 videnskabsmænd og ingeniører fra 10 universiteter og fire nationale laboratorier.

"Dette er potentielt et opdagelseseksperiment, " siger NISTs Pieter Mumm, som er medstifter og medtalsmand for projektet, sammen med Karsten Heeger ved Yale University og Nathaniel Bowden ved Lawrence Livermore National Laboratory. At opdage en ny partikel ville være "superspændende, " fortsætter han, fordi en ny type neutrino ikke er en del af standardmodellen for fysik, den velgennemtænkte forklaring på universet, som vi kender det.

For at finde den nye partikel eller endegyldigt modbevise dens eksistens, PROSPECT-samarbejdet forbereder sig på at bygge en første af sin slags detektor til kortrækkende neutrino-eksperimenter, ved at bruge en atomreaktor som neutrinokilde.

Værket kunne ikke kun kaste lys over ny fysik, men det kan også give forskere et nyt værktøj til at overvåge og sikre atomreaktorer.

PROSPECTERING efter neutrinoer

I modsætning til andre neutrino-eksperimenter, som typisk ser på svingningerne mellem de tre kendte smagsvarianter over afstande på kilometer eller hundreder af kilometer, PROSPECT vil se på neutrinoscillationer over blot et par meter, rummet i et lille rum. Afstanden er for kort til at se svingninger mellem de kendte smagsvarianter. Men det er præcis den rigtige skala for de hypotese, sterile neutrinoscillationer.

Denne opsætning "giver dig en signatur, der er absolut jernbeklædt, " siger mor. "Hvis du ser den variation, den karakteristiske svingning, der er kun én forklaring på det. Det skal være sterile neutrinoer."

Selve detektoren vil være omkring 4,5 meter i terninger og vil være sammensat af en 11 gange 14 række lange tynde "celler" stablet på hinanden [se diagram], med en forventet rumlig opløsning på omkring 10 kubikcentimeter. Som dens kilde til neutrinoer, PROSPECT vil bruge High Flux Isotop Reactor på Oak Ridge Laboratory i Tennessee. Forsøget vil blive placeret så tæt som muligt på selve reaktorkernen - kun 7 meter (ca. 20 fod) væk.

PROSPECT vil ikke se de sterile neutrinoer direkte. Hellere, det vil opdage en bestemt slags neutrino, der regelmæssigt produceres i atomreaktorer:elektron-typen antineutrino.

For at identificere en elektron antineutrino, forskerne vil lede efter et bestemt signal i lys. Hver celle i detektoren er fyldt med et scintillerende materiale. Det betyder, at energi omdannes til lys, som forstærkes og opfanges af et par fotomultiplikatorrør på hver celle.

Når en neutrino rammer en proton i væsken, der fylder cellerne, det skaber nye partikler, der afsætter energi i detektoren. Disse datterpartikler danner en signatur, der fortæller forskerne, at en neutrino engang var der (se diagrammet ovenfor).

"Det, vi faktisk fornemmer, er lyset, der udsendes af væskescintillatoren, " siger Mumm. Signalet, de leder efter, er "noget, der ligner en positron, fulgt på det passende tidspunkt [tivis af mikrosekunder, eller milliontedele af et sekund] af noget, der ligner en neutronfangst."

Næste skridt

Indtil nu, samarbejdet har skabt en række prototyper, inklusive et par celler bygget til skala, og kører simuleringer for at validere de modeller, de bruger til at adskille signalet fra de høje baggrunde, de forventer. Takket være tilskud fra det amerikanske energiministerium og Heising-Simons Foundation denne sommer, de er begyndt at bygge detektoren fysisk.

PROSPECT skal besvare spørgsmålet om, hvorvidt der er sterile neutrinoer eller ej inden for tre år, siger Mumm. I mellemtiden samarbejdets arbejde har nogle potentielt spilændrende spin-offs for reaktorfysikken. For eksempel, videnskabsmænd kunne potentielt bruge denne teknologi til at konstruere en enhed til fjernovervågning af reaktordrift.

"Du kan forestille dig, det forekommer mig i hvert fald, at dette kunne være et ret stærkt værktøj under de rigtige omstændigheder, " siger mor. "Du kan ikke beskytte neutrinoer. Der er ingen måde at forfalske det."