Den første atomreaktormonitor nogensinde vil øge neutrinofysikken

Et nyt amerikansk energiministeriumsprojekt, der skal udvikle den første detektor, der kan fjernovervåge atomreaktorer, vil også hjælpe fysikere med at teste den næste generation af neutrino -observatorier.

Nukleare reaktioner producerer antaleutrinoer, der er antimateriale - neutrinoer. De nye detektorer vil blive designet til at måle energien fra sådanne antineutrinoer og den retning, hvorfra de kommer, muliggør overvågning af reaktorer fra en afstand på 25 kilometer for at verificere ikkespredningsaftaler. Dette projekt vil danne grundlag for større detektorer, der er i stand til at overvåge reaktoroperationer fra en afstand på flere hundrede kilometer, hjælpe nationer med at spore eller begrænse produktionen af ​​fissile materialer, der kan bruges i atomvåben.

Men fysikere er også interesserede i at opdage neutrinoer og antineutrinoer for at opdage de grundlæggende love i universet, især for at lære, hvorfor universet i dag hovedsageligt består af normalt stof med meget lidt antimateriale, når begge skulle have været lavet i lige store mængder under Big Bang.

"Disse neutrinoobservationer har meget vidtrækkende konsekvenser; de kunne hjælpe os med at forklare, hvordan vi opstod, "sagde Gabriel Orebi Gann, en assisterende professor i fysik og fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, der er UC Berkeley -hovedforsker for den nye detektor.

Det indledende projekt hedder Watchman, til WATer CHerenkov Monitor af ANtineutrinos, og vil blive bygget af et stort samarbejde mellem forskere i USA og Storbritannien, ledet af Lawrence Livermore National Laboratory. UC Berkeley og Berkeley Lab er medlemmer af samarbejdet, kaldet Advanced Instrumentation Testbed, eller AIT, som er finansieret af DOE's National Nuclear Security Administration.

Med forbehold af endelig godkendelse af minemyndigheder, Watchman vil blive bygget på stedet for Boulby Underground Laboratory, en eksisterende statsfinansieret dybt underjordisk videnskabsfacilitet fra Det Forenede Kongerige, der opererer i en fungerende kaliumchlorid, polyhalit- og saltmine (Boulby Mine) beliggende på Englands nordøstlige kyst. Ved den forventede operationelle start i 2023, det vil bestå af 3, 500 tons væske, mest vand blandet med elementet gadolinium, der vil blive indstillet til at detektere interaktioner mellem antineutrinoer, der udsendes fra en atomreaktor ved Hartlepool -komplekset 25 kilometer væk.

Disse antineutrinoer vil interagere med protoner i vandmålet for at producere positroner, elektronernes antimateriepartnere, som producerer lys i detektoren, når de kører hurtigere end lysets hastighed i væsken - svarende til en lydbom, såkaldt Cherenkov-lys. Lysets intensitet fortæller forskerne energien af ​​disse positroner, som skal matche forudsigelser.

Neutrinoer er ikke særlig interaktive

Neutrinos og antineutrinos er blandt naturens mest undvigende partikler, passerer gennem materiale, herunder hele Jorden, uden at interagere med noget andet. De kører med næsten lysets hastighed, og forskerne, der opdagede, at de har en lille masse, vandt Nobelprisen i fysik i 2015.

Mens den første fase af Watchman vil bruge nutidens detektorteknologi, den anden fase vil implementere flere avancerede teknologier til at forbedre følsomheden over for lavenergi-antineutrinoer. Disse omfatter vandbaserede væskescintillatorer og hurtige fotosensorer og lyskoncentratorer for at muliggøre forskelsbehandling mellem lysglimt adskilt af et par hundrede picosekunder-10 gange bedre end opnået med nutidens fotomultiplikatorrør.

"Denne demonstration vil danne grundlag for større detektorer, der ville være nødvendige for at overvåge eller opdage små reaktorer på afstande på op til flere hundrede kilometer, "sagde Adam Bernstein, AIT -hovedforsker og en LLNL -fysiker.

For Orebi Gann, AIT er en mulighed for at teste nye og mere følsomme detektorer for et fremtidigt neutrino -observatorium, der er blevet kaldt Theia, efter Titans gudinde for lys. Theia forventes at være 50, 000 tons tank vandbaseret væskescintillator med radioaktive metaller tilføjet for at forbedre neutrino-interaktioner og hurtige fotosensorer, plus anden state-of-the-art teknologi.

"Jeg er meget begejstret for at bidrage til AIT og Watchman, fordi det er et virkelig vigtigt skridt på vejen mod Theia, "sagde Orebi Gann, som ikke kun har været involveret i Sudbury Neutrino Observatory i Canada, hvor neutrino -massen først blev opdaget, men også dens efterfølger, SNO+.

Er neutrinoen sin egen antipartikel?

Det store spørgsmål om neutrinofysik i dag er, om neutrinoen er sin egen antimateriale -partikel. Det er, er neutrino og antineutrino det samme? Hvis dette var sandt, det ville give en måde at forklare den materie-antimateriale asymmetri i universet:det ville tillade eksistensen af ​​nye og meget tunge neutrinoer, der først ville have været til efter Big Bang, og kunne fortrinsvis henfalde til stof i stedet for antimateriale.

"Hvis vi ikke ser det, hvis vi ser, at neutrinoer ikke er deres egne antipartikler, det er lige så stort, fordi det siger, at der er noget andet, der adskiller stof fra andet antimateriale end elektrisk ladning, "Orebi Gann sagde, "at der er en anden symmetri, som vi ikke ved om, der adskiller neutrino fra antineutrino."

Nøgletesten ligger i observationer af dobbelt beta -henfald, den sjældneste form for radioaktivt henfald, hvor to neutroner i atomets kerne spontant henfalder, hver opretter en proton, en elektron og en antineutrino. Hvis neutrinoer og antineutrinoer er den samme partikel, i nogle tilfælde af denne sjældne hændelse ville de to neutrinoer/antineutrinoer tilintetgøre hinanden inde i kernen, og eksperimenter ville ikke se nogen antineutrinoer dukke op.

Dermed, fysikere leder efter begivenheder-såkaldte neutrinoløse dobbelte beta-henfald-der involverer to energiske elektroner, der bærer al energien fra det dobbelte beta-henfald, og intet andet.

SNO+ anvender et flydende scintillatormål, der producerer omkring 50 gange mere lys, når elektroner pløjer igennem, end der produceres af Cherenkov -effekten, dermed øges chancerne for at opdage neutrinoløst dobbelt beta -henfald. Målet med Advanced Instrumentation Testbed, især fase 2, er at teste en kombination af Cherenkov-detektion og scintillation til næste generations neutrino-detektor, Theia.

"Med Theia, vi vil kombinere fordelene ved et målmedium, der producerer meget lys, som scintillation, med et medium, hvor vi også kan se Cherenkov -lyset - det retningsbestemte lys, "Sagde Orebi Gann." Sammen, de vil give dig en retning, lavterskeldetektor, der producerer en fantastisk signal-til-baggrund diskrimination for en bred vifte af neutrino fysik, såvel som spændende emner som protonforfald. "

Selvom Watchmans fokus er ikke-spredning, det ville også være i stand til at detektere antineutrino -udbrud fra supernovaer, og måske neutrinoer produceret på Jorden selv, såkaldte geoneutrinos.

"Vægter, og mere generelt AIT, tilbyde eksempler på den stærke synergi, der kan opnås, når værktøjer udviklet til grundvidenskab anvendes i ikke -spredningssammenhænge, "Sagde Bernstein.