Find neutrinoer - et spørgsmål og svar med Matthew Green

Matthew Green er adjunkt i fysik ved NC State. Han var involveret i et multiinstitutionelt forskningsprojekt med det formål at opdage en proces kaldet Coherent Elastic Neutrino Nuclear Scattering (CEvNS). Projektet lykkedes, og dens fund fremgår af Videnskab . Matthew accepterede et spørgsmål og svar med The Abstract om projektet og dets resultater.

Abstractet:Hvad er en neutrino? Hvad kan studere neutrinoer fortælle os om universet?

Grøn:Neutrinoer er nogle af de grundlæggende elementarpartikler, der udgør vores univers. Med hensyn til antal, de er mere rigelige end alle de andre stofpartikler i vores univers tilsammen. De har små bitte masser, mindre end en milliontedel af elektronmassen; de er så små, at vi indtil nu stadig ikke har været i stand til at måle dem nøjagtigt, fastsætte kun øvre grænser for dem. I de sidste 20 år er det blevet fastslået, at selvom de er små, deres masser er ikke nul (i modsætning til fotoner, partiklerne, der udgør lys). Hvorfor neutrinoer er så lette, er lidt af et mysterium, og kan pege på ny fysik, der kan forklare, hvorfor vi lever i et univers, der har så meget stof i sig og så lidt anti-stof, når vores nuværende forståelse siger, at stof og antimateriale tidligt skulle have været produceret i lige store mængder, og udslettede hinanden, efterhånden som vores univers udviklede sig.

TA:Hvorfor er neutrinoer så svære at opdage?

Grøn:Af de fire grundlæggende kræfter, der beskriver, hvordan partikler interagerer med hinanden (elektromagnetisme, stærk kraft, svag kraft, tyngdekraft), neutrinoer interagerer kun via den passende navngivne svage kraft og (endnu svagere) tyngdekraft. På grund af dette, neutrino -interaktioner med stof er sjældne; billioner neutrinoer fra solen passerer gennem din krop hvert sekund, og næsten alle disse vil rejse gennem dig, og gennem Jorden, helt uformindsket. Hvis du ville bygge en væg af stål for at beskytte dig mod neutrinoer, som solen udsender, den skulle være over et lysår (~ 6 billioner miles) tyk!

TA:Du var involveret i et projekt om at bygge en mindre neutrino -detektor - hvordan adskiller denne nye detektor sig fra dem, der tidligere blev brugt?

Grønt:Vores mål var for første gang at opdage en proces kaldet Coherent Elastic Neutrino Nuclear Scattering (CEvNS), hvor en neutrino kolliderer med en atomkerne, og hvis betingelserne er rigtige (neutrinos energi er lav nok) interagerer neutrinoen med hele kernen på én gang i stedet for en enkelt proton eller neutron i kernen. Som et resultat heraf er tværsnittet for denne interaktion (et partikelfysisk mål for, hvor sandsynligt en interaktion vil forekomme) stort - i forhold til neutrinoer alligevel. Problemet er, at den eneste måde at opdage interaktionen på er ved at lede efter signaturen af ​​kernen, der bliver slået malplaceret af neutrinoen. Da neutrinoen skal være lav i energi, rekylkernen skal være endnu lavere; forestil dig at kaste en bordtennisbold til en bowlingbold og kigge efter bowlingkuglen til at bevæge sig. Hvis du kan bygge en detektor, der er i stand til at måle lav nok energi nukleare rekyl, så kan den detektor være ret lille (vores i dette arbejde vejer omkring 30 pund), men kan stadig detektere neutrinoer gennem denne CEvNS -proces.

TA:Hvad var din involvering i projektet? Det mest mindeværdige aspekt af værket?

Grøn:En af de forudsigelser, som standardmodellen gør for CEvNS -interaktionen, er, hvordan tværsnittet skal ændre sig fra en målkerne til den næste. Af den grund, vi implementerer et sæt forskellige detektorer fremstillet af forskellige materialer, så vi kan teste den forudsigelse. I NC State, vi samler et sæt germanium-baserede detektorer, der normalt bruges til at detektere gammastråling, som vil blive indsat på Spallation Neutron Source (SNS) placeret på Oak Ridge National Labs senere på året. Disse germanium -detektorer, udover at være et andet målmateriale, vil lade os måle CEvNS -processen med forbedret præcision.

TA:Var der overraskende fund fra detektoren? Hvilke spørgsmål vil du prøve at besvare fremover?

Grøn:Vores måling af CEvNS var, inden for målingens usikkerhed, hvad der blev forudsagt af vores forståelse af neutrinoer og partikelfysik, så intet frygteligt overraskende der. Det, der var mest overraskende for os, var, hvor stor en eksperimentel placering Spallation Neutron Source var for os. Vi var i stand til at identificere et sted i SNS -målbygningen, hvor vi er tæt på, hvor neutrinoerne skabes, så vi får masser af neutrinoer, der flyver gennem vores detektorer, men også hvor der er meget afskærmning fra andre højenergipartikler skabt i målet, der ville overvælde vores detektorer og gøre det svært at se de neutrinosignaler, vi leder efter. Vi var i stand til at foretage en bedre måling, end vi troede var muligt, og er meget spændte på de målinger, vi vil kunne foretage der i den nærmeste fremtid.