Verdens mindste neutrinodetektor observerer undvigende interaktioner mellem partikler

I 1974, en Fermilab -fysiker forudsagde en ny måde for spøgelsesagtige partikler kaldet neutrinoer at interagere med stof. Mere end fire årtier senere, et UChicago-ledet team af fysikere byggede verdens mindste neutrino-detektor for at observere den undvigende interaktion for første gang.

Neutrinoer er en udfordring at studere, fordi deres interaktioner med stof er så sjældne. Særligt undvigende har været det, der er kendt som kohærent elastisk neutrino-kerne spredning, som opstår, når en neutrino støder ned fra atomets kerne.

Det internationale COHERENT Collaboration, som omfatter fysikere i UChicago, opdagede spredningsprocessen ved hjælp af en detektor, der er lille og let nok til, at en forsker kan bære den. Deres fund, som bekræfter teorien om Fermilabs Daniel Freedman, blev rapporteret 3. august i journalen Videnskab .

"Hvorfor tog det 43 år at observere denne interaktion?" spurgte medforfatter Juan Collar, UChicago professor i fysik. "Det, der finder sted, er meget subtilt." Freedman så ikke meget mulighed for eksperimentel bekræftelse, skrev dengang:"Vores forslag kan være en handling af hybris, fordi de uundgåelige begrænsninger for interaktionshastighed, opløsning og baggrund udgør alvorlige eksperimentelle vanskeligheder. "

Når en neutrino støder ind i atomets kerne, det skaber en lillebitte, knap målelig rekyl. Fremstilling af en detektor af tunge elementer som jod, cæsium eller xenon øger sandsynligheden for denne nye neutrino -interaktion dramatisk, sammenlignet med andre processer. Men der er en afvejning, da de bittesmå nukleare tilbageslag, der resulterer i, bliver sværere at opdage, efterhånden som kernen bliver tungere.

"Forestil dig, at dine neutrinoer er bordtennisbolde, der rammer en bowlingbold. De kommer til at give denne bowlingbold kun et lille ekstra momentum, "Sagde krave.

For at opdage den lille smule rekyl, Collar og kolleger fandt ud af, at en cæsiumiodidkrystal dopet med natrium var det perfekte materiale. Opdagelsen fik forskerne til at skubbe de tunge, gigantiske detektorer almindelige inden for neutrino -forskning for en, der ligner en brødrister i størrelse.

Intet gigantisk laboratorium

Den 4 "x 13" detektor, der bruges til at producere Videnskab resultaterne vejer kun 14,5 kilo. Sammenlignet med, verdens mest berømte neutrino -observatorier er udstyret med tusinder af tons detektormateriale.

"Du behøver ikke at bygge et gigantisk laboratorium omkring det, "sagde UChicago doktorand Björn Scholz, hvis speciale vil indeholde resultatet rapporteret i Videnskab papir. "Vi kan nu tænke på at bygge andre små detektorer, der derefter kan bruges, for eksempel at overvåge neutrinostrømmen i atomkraftværker. Du sætter bare en dejlig lille detektor på ydersiden, og du kan måle det in situ. "

Neutrino fysikere, imens, er interesseret i at bruge teknologien til bedre at forstå egenskaberne ved den mystiske partikel.

"Neutrinoer er en af ​​de mest mystiske partikler, "Collar sagde." Vi ignorerer mange ting ved dem. Vi ved, at de har masse, men vi ved ikke præcis, hvor meget. "

Gennem måling af koherent elastisk neutrino-kerne spredning, fysikere håber at besvare sådanne spørgsmål. SAMMENHÆNGENDE Samarbejde Videnskab papir, for eksempel, pålægger grænser for nye typer neutrino-kvark-interaktioner, der er blevet foreslået.

Resultaterne har også konsekvenser i søgen efter svagt interagerende massive partikler. WIMP'er er kandidatpartikler til mørkt stof, som er usynligt materiale med ukendt sammensætning, der tegner sig for 85 procent af universets masse.

"Det, vi har observeret med neutrinoer, er den samme proces, der forventes at være i spil i alle de WIMP -detektorer, vi har bygget, "Sagde krave.

Neutrino gyde

Det SAMMENHÆNDIGE Samarbejde, som involverer 90 forskere på 18 institutioner, har foretaget sin søgning efter sammenhængende neutrinospredning ved Spallation Neutron Source ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Forskerne installerede deres detektorer i en kældergang, der blev kendt som "neutrino -gyde". Denne korridor er stærkt afskærmet af jern og beton fra det meget radioaktive neutronstråle målområde, kun 20 meter (mindre end 25 yards) væk.

Denne neutrino -gyde løste et stort problem for neutrinodetektion:Den skærmer næsten alle neutroner genereret af Spallation Neutron Source, men neutrinoer kan stadig nå detektorerne. Dette gør det muligt for forskere mere tydeligt at se neutrino -interaktioner i deres data. Andre steder ville de let blive druknet af de mere fremtrædende neutrondetekteringer.

Spallation Neutron Source genererer de mest intense pulserende neutronstråler i verden til videnskabelig forskning og industriel udvikling. I processen med at generere neutroner, SNS producerer også neutrinoer, dog i mindre mængder.

"Du kan bruge en mere sofistikeret type neutrinodetektor, men ikke den rigtige slags neutrino -kilde, og du ville ikke se denne proces, "Collar sagde." Det var ægteskabet mellem den ideelle kilde og den ideelle detektor, der fik eksperimentet til at fungere. "

To af Collar's tidligere kandidatstuderende er medforfattere af Science-papiret:Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, nu adjunkt i fysik ved Duke University; og Nicole Fields, PhD'15, nu sundhedsfysiker ved U.S.Nuclear Regulatory Commission i Chicago.

Udviklingen af ​​en kompakt neutrinodetektor bringer en idé til livs, som UChicago -alumnen Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, foreslået i 1984. Stodolsky og Andrzej Drukier, både af Max Planck Institute for Physics and Astrophysics i Tyskland, bemærkede, at en sammenhængende detektor ville være relativt lille og kompakt, i modsætning til de mere almindelige neutrinodetektorer, der indeholder tusindvis af liter vand eller væskescintillator. I deres arbejde, de forudsagde ankomsten af ​​fremtidige neutrino -teknologier muliggjort ved miniaturisering af detektorerne.

Scholz, UChicago -kandidatstuderende, hilste forskerne, der har arbejdet i årtier for at skabe den teknologi, der kulminerede med påvisning af sammenhængende neutrino -spredning.

"Jeg kan ikke fatte, hvordan de skal have det nu, hvor det endelig er blevet opdaget, og de har nået et af deres livsmål, "Scholz sagde." Jeg er kommet ind i slutningen af ​​løbet. Vi er bestemt nødt til at give æren for alt det enorme arbejde, som folk har udført før os. "