Neutrino-eksperimenter ser ud til at afsløre store svar om, hvordan disse fundamentale partikler interagerer med stof

Undtagen i gyserfilm, de fleste videnskabelige eksperimenter starter ikke med, at videnskabsmænd lurer snævert, øde gange. Men en gemt placering i fordybningerne af Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gav præcis, hvad Yuri Efremenko ledte efter.

Efremenko, en ORNL-forsker og professor ved University of Tennessee ved Knoxville, er talsmand for COHERENT-eksperimentet, som studerer neutrinoer. Holdet bruger fem partikeldetektorer til at identificere en specifik interaktion mellem neutrinoer og atomkerner. De mest udbredte partikler i universet, neutrinoer er ekstremt lette og har ingen elektrisk ladning. De interagerer meget lidt med andre partikler. Faktisk, billioner passerer gennem jorden hvert sekund, efterlader intet indtryk. Det er overflødigt at sige, de er notorisk svære at opdage.

I første omgang, holdet undersøgte et travlt område nær Spallation Neutron Source (SNS), en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL i Tennessee. De neutroner, som SNS producerer, driver 18 forskellige instrumenter, der omgiver SNS som eger på et hjul. SNS producerer også neutrinoer, som flyver af sted i alle retninger fra partikelacceleratorens mål. Men at placere neutrino-detektorerne på samme etage som SNS ville udsætte enhederne for baggrundspartikler, der ville øge usikkerheden.

"Vi var virkelig heldige at gå i kælderen en dag, " sagde David Dean, ORNLs fysikafdelingsdirektør. Efter at have flyttet nogle vandtønder til siden og udført baggrundstests, de var i forretning. Kælderplaceringen ville beskytte maskinerne mod eksponering for baggrundspartikler. Da forskerne først installerede eksperimentets detektorer, de gav gangen tilnavnet "Neutrino Alley".

Eksperimentet, kaldet COHERENT, udgør en skarp kontrast til de fleste andre neutrino-eksperimenter. For at få et glimt af disse minimale partikler, de fleste eksperimenter bruger utroligt store maskiner, ofte fjerntliggende steder. Den ene er placeret på Sydpolen, mens en anden skyder neutrinostråler hundredvis af miles til en fjern detektor. Udover sin verdslige beliggenhed, COHERENTs hoveddetektor er næppe større end en mælkekande. Faktisk, det er den mindste fungerende neutrino-detektor i verden.

Men COHERENT og et søstereksperiment på ORNL, UDSIGT, viser, at neutrino-eksperimenter ikke behøver at være enorme for at gøre store opdagelser. Disse to beskedne eksperimenter støttet af DOE's Office of Science er klar til at udfylde nogle store huller i vores forståelse af denne mærkelige partikel.

Neutrinoens mysterier

Mens neutrinoer er nogle af de mindste partikler i universet, at undersøge dem kan afsløre massive indsigter.

"Neutrinoer fortæller os enormt meget om, hvordan universet er skabt og holdt sammen, " sagde Nathaniel Bowden, en videnskabsmand ved DOE's Lawrence Livermore National Laboratory og medtalsmand for PROSPECT. "Der er ingen anden måde at besvare mange af de spørgsmål, som vi finder os selv at have." At forstå, hvordan neutrinoer interagerer, kan endda hjælpe os med at forstå, hvorfor stof – og alt, der er lavet ud af det – overhovedet eksisterer.

Men neutrinoer har ikke gjort det nemt at besvare disse spørgsmål. Der er tre forskellige typer neutrinoer, som hver opfører sig forskelligt. Ud over, de skifter type, mens de rejser. Nogle videnskabsmænd har foreslået en endnu ikke set partikel kaldet den sterile neutrino. Fysikere teoretiserer, at hvis der eksisterer sterile neutrinoer, de ville interagere med andre partikler endnu mindre end almindelige gør. Det ville gøre dem næsten umulige at opdage.

Men det er et stort "hvis". En steril neutrino ville være den første partikel, der ikke er forudsagt af standardmodellen, fysikeres opsummering af, hvordan universet fungerer.

"Neutrinoer kan have sporet til at opdage partikelfysik ud over standardmodellen, sagde Karsten Heeger, en Yale University professor og medtalsmand for PROSPECT.

Søger efter et sammenhængende svar med COHERENT

Et team af forskere fra ORNL, andre DOE nationale laboratorier, og universiteter designet COHERENT-eksperimentet for at identificere en specifik interaktion mellem neutrinoer og kerner. Mens fysikere havde forudsagt denne interaktion for mere end 40 år siden, de havde aldrig opdaget det.

De fleste neutrinoer interagerer kun med individuelle protoner og neutroner. Men hvis en neutrinos energi er lav nok, det bør interagere med en hel kerne snarere end dens individuelle dele. Teoretikere foreslog, at når en lavenergineutrino nærmer sig en kerne, de to partikler udveksler en elementær partikel kaldet en Z-boson. Når neutrinoen frigiver Z-bosonen, neutrinoen hopper væk. Da kernen modtager Z-bosonen, kernen trækker lidt tilbage. Den interaktion kaldes kohærent elastisk neutrino-kernespredning.

Fordi de fleste kerner er meget større end individuelle protoner eller neutroner, videnskabsmænd bør se denne type interaktion hyppigere end interaktioner drevet af neutrinoer med højere energi. Ved at "se" den lille rekylenergi, COHERENTs detektorer i gallonstørrelse gør det muligt for forskere at studere neutrinoegenskaber.

"Det er lidt sejt, at du faktisk kunne se en interaktion af neutrinoer med noget, du kan holde i hånden, " sagde Kate Scholberg, en Duke University professor og samarbejdspartner på COHERENT.

Men intet af dette ville være muligt uden ORNL's SNS. Neutrinoerne SNS producerer passerer gennem beton og grus for at nå ORNLs kælder. De har den helt rigtige energi til at fremkalde denne særlige interaktion. SNS's pulserende stråle tillader også forskere at filtrere baggrundsstøj fra andre partikler.

"Der er en del neutrinoer, der blev spildt, på SNS, så at sige. Det er den perfekte kilde til sammenhængende spredning - kattens pyjamas, " sagde Juan Collar, en University of Chicago professor og samarbejdspartner på COHERENT.

Efter at have løbet i 15 måneder, COHERENT fangede neutrinoer i færd med at udlevere Z-bosoner 134 gange.

Han kiggede over skulderen på sin kandidatstuderende, mens han knuste dataene, Collar var begejstret for at se, at resultaterne kom ud nøjagtigt som forventet. "Da vi endelig så på det behandlede, komplet datasæt, vi gik "wheeeeeee!" sagde han.

Måling af dette fænomen - neutrino-kerne elastisk spredning - giver fysikere et nyt og alsidigt værktøj til at forstå neutrinoer.

"Det har åbnet vores vindue for at lede efter fysikken ud over standardmodellen, " sagde Efremenko.

Ved at bruge denne interaktion, forskere kan være bedre i stand til at forstå, hvordan supernovaer eksploderer og producerer neutrinoer.

Mens disse detektorer hovedsageligt bruges til grundforskning, deres lille størrelse kan også være nyttig til andre applikationer. Atomreaktorer producerer forskellige typer og mængder af neutrinoer, afhængigt af, om de producerer energi eller materiale af våbenkvalitet. En detektor så lille som COHERENTS kunne gøre indsatsen for at overvåge nukleare anlæg meget lettere.

Find præcision med PROSPECT

Mens COHERENT ledte efter et specifikt fænomen, PROSPECT-eksperimentet vil fokusere på at lave utrolig præcise målinger af neutrinoer fra en atomreaktor, når de skifter type. Tidligere atomreaktorforsøg har resulteret i målinger, der afviger fra teorien. PROSPECT-teamet har designet et eksperiment, der kan udforske eventuelle uoverensstemmelser, eliminere mulige fejlkilder, eller endda opdage den sterile neutrino.

Sammenlignet med tidligere neutrinoreaktoreksperimenter, PROSPECT vil være i stand til mere præcist at måle antallet og typen af ​​neutrinoer, afstanden de rejser fra reaktoren, og deres energi. PROSPECT adskiller sig fra andre eksperimenter ved, at dets detektor har flere sektioner i stedet for et enkelt kammer. Dette giver forskere mulighed for at måle og sammenligne forskellige neutrino-oscillationslængder – dvs. hvor langt fra reaktoren neutrinoer skifter type.

Hvis der findes sterile neutrinoer, dette detektordesign kan også gøre det muligt for forskere at observere regulære neutrinoer, der går over i sterile neutrinoer. I teorien, denne nye form for neutrinoer skulle dukke op i en bestemt afstand fra detektorkernen.

High Flux Isotop Reactor (HFIR), en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, vil give PROSPECT sine neutrinoer. Kommercielle atomreaktorer bruger en række forskellige uran- og plutoniumbrændsler med forskellige kombinationer af isotoper. Dette resulterer i et bredt spektrum af neutrinoenergier. Det gør det svært at udpege, hvilke isotoper der producerer hvilke neutrinoer. Som forskningsreaktor, HFIR bruger kun én isotop af uran:uran-235. Ved at måle antineutrinoerne fra den enkelte isotop, PROSPECT-holdet kan bedre forstå, hvordan alle atomreaktorer producerer neutrinoer.

Forskere i PROSPECT-samarbejdet færdiggjorde for nyligt at bygge en detektor på Yale University's Wright Laboratory. Mens det aktive detektorområde er meget større end COHERENTs detektor på størrelse med mælkekande, den er stadig kun fire fod bred og vejer omkring fem tons. Sammenlignet med detektorer, der vejer tusindvis af tons, også dette eksperiment kører på den lille side. Når PROSPECT er gennemført og på plads, det vil tage data i tre år.

Mens disse eksperimenter virker miniature i sammenligning med andre, de kunne afsløre svar om neutrinoer, der har gemt sig for fysikere i årtier. Det kan kun være et spørgsmål om, at forskere ved, hvor og hvordan de skal kigge, selvom det er nede i en tilsyneladende almindelig opbevaringsgang.