Overbevisende beviser for neutrino -proces åbner fysikmuligheder

Det KOHERENTe partikelfysiske eksperiment ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fast etableret eksistensen af ​​en ny form for neutrino -interaktion. Fordi neutrinoer er elektrisk neutrale og kun interagerer svagt med stof, jagten på at observere denne interaktion drev fremskridt inden for detektorteknologi og har tilføjet nye oplysninger til teorier med det formål at forklare kosmos mysterier.

"Neutrinoen menes at være kernen i mange åbne spørgsmål om universets natur, "sagde Indiana University fysikprofessor Rex Tayloe. Han ledede installationen, drift og dataanalyse af en kryogen flydende argondetektor for neutrinoer ved Spallation Neutron Source, eller SNS, en DOE Office of Science User Facility på ORNL.

Studiet, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , observerede, at lavenergi neutrinoer interagerer med en argonkerne gennem den svage atomkraft i en proces kaldet kohærent elastisk neutrino-kernespredning, eller CEvNS, som udtales "syv." Som en bordtennisbold, der bombarderer en softball, en neutrino, der rammer en kerne, overfører kun en lille mængde energi til den meget større kerne, som ryger næsten umærkeligt tilbage som reaktion på det lille overfald.

Grundlaget for opdagelsen med argonkernen var en undersøgelse fra 2017, der blev offentliggjort i Videnskab hvor KOHERENTE samarbejdspartnere brugte verdens mindste neutrinodetektor til at levere det første bevis på CEvNS -processen, da neutrinoer interagerede med større og tungere cæsium- og iodidkerner. Deres rekyl var endnu tyndere, som bowlingbolde, der reagerer på bordtennisbolde.

"Standardmodellen for partikelfysik forudsiger sammenhængende elastisk spredning af neutrinoer fra kerner, "sagde fysikeren fra Duke University, Kate Scholberg, talsmand og organisator af videnskabelige og teknologiske mål for SAMMENHÆNGENDE. Samarbejdet har 80 deltagere fra 19 institutioner og fire lande. "Ser neutrino -interaktionen med argon, den letteste kerne, som den er blevet målt til, bekræfter den tidligere observation fra tungere kerner. At måle processen fastlægger præcist begrænsninger for alternative teoretiske modeller. "

Yuri Efremenko, en fysiker ved University of Tennessee, Knoxville, og ORNL, der ledede udviklingen af ​​mere følsomme fotodetektorer, sagde, "Argon giver en slags" dør ". CEvNS -processen er som en bygning, som vi ved burde eksistere. Den første måling på natrium og iodid var en dør, der gav os mulighed for at udforske bygningen. Vi har nu åbnet denne anden argon dør." Argondata er i overensstemmelse med standardmodellen inden for fejlbjælker. Imidlertid, øget præcision muliggjort af større detektorer kan lade forskere se noget nyt. "At se noget uventet ville være som at åbne døren og se fantastiske skatte, "Tilføjede Efremenko.

"Vi leder efter måder at bryde standardmodellen. Vi elsker standardmodellen; det har været virkelig vellykket. Men der er ting, det bare ikke forklarer, sagde fysiker Jason Newby, ORNL's ledelse for COHERENT. "Vi formoder, at på disse små steder, hvor modellen kan gå i stykker, svar på store spørgsmål om universets natur, antimateriale og mørkt stof, for eksempel, kunne ligge og vente. "

COHERENT -teamet bruger verdens klareste pulserende neutronkilde på SNS til at hjælpe med at finde svarene. De neutroner, SNS producerer til forskning, skaber neutrinoer som et biprodukt. En servicekorridor under SNS -kviksølvmålet er blevet omdannet til et dedikeret neutrino -laboratorium, kaldet Neutrino Alley, under ledelse af Newby og Efremenko. En 53 pund, eller 24 kilo, detektor kaldet CENNS-10 sidder 90 fod, eller 27,5 meter, fra en lavenergi-neutrino-kilde, der optimerer mulighederne for at få øje på sammenhænge. Dette betyder, at nærmer sig neutrinoer se kernens svage kraft som helhed, hvilket fører til en større effekt sammenlignet med ikke-kohærente interaktioner.

Større detektorer er bedre til at foretage højpræcisionsmålinger, og CENNS-10 detektorteknologien er let at skalere ved blot at tilføje mere flydende argon.

CENNS-10-detektoren blev oprindeligt bygget på Fermilab af COHERENT-samarbejdspartner Jonghee Yoo. Han og Tayloe bragte det til IU og omarbejdede det der, inden det blev installeret på SNS i 2016. Newby og Efremenko havde forberedt SNS -stedet med afskærmning af lagdelt bly, kobber og vand for at fjerne neutronbaggrunde.

Efter indledende målinger angivet, ville eksperimentet ikke blive domineret af baggrund, bølgelængdeforskydende belægninger blev påført fotodetektorer og indre reflektorer, der signifikant forbedrede lysopsamling. Detektoren blev kalibreret ved at injicere krypton-83m i den flydende argon for at muliggøre beregning af antallet af tilstedeværende fotoner.

De offentliggjorte resultater brugte 18 måneders data indsamlet fra CENNS-10. Analyse af data afslørede 159 CEvNS -hændelser, i overensstemmelse med standardmodelforudsigelsen.

COHERENTs data vil hjælpe forskere verden over med at fortolke deres neutrino -målinger og teste deres teorier om mulig ny fysik. Det beregnelige fingeraftryk for neutrino-kerne-interaktioner, der forudsiges af standardmodellen og set af COHERENT, har praktiske anvendelser, også. "Dette er en måde at måle fordelingen af ​​neutroner inde i kerner og tætheden af ​​neutronstjerner, "Efremenko sagde." Det er et bidrag til atomfysik og astrofysik, fordi processerne er meget ens. "

Forskellige typer detektorer er nødvendige for omfattende neutrinoundersøgelser. For at fremme målet om at observere CEvNS på en række kerner, en 16 kilo detektor baseret på germaniumkerner, som er større end argon, men mindre end cæsium og iodid, installeres i Neutrino Alley næste år. En række natriumiodiddetektorer er blevet installeret for at forøge cæsiumiodiddetektoren i drift der siden 2017.

I mellemtiden, dataindsamling fortsætter 24/7 på trods af COVID-19, fordi KOHERENTE samarbejdspartnere eksternt overvåger deres flydende argondetektor. De stræber efter at forstørre det til toneskala for at se 25 gange så mange begivenheder årligt og muliggøre observation af detaljerede energispektre, der kan afsløre signaturer af den nye fysik, herunder eksistensen af ​​sterile neutrinoer, der ikke har nogen svag interaktion, og derfor, ikke ville vise en sammenhængende interaktion.

Til sidst, de vil gerne tilføje en endnu større 10-ton, væske-argondetektor på SNS's anden målstation. "Vi presser på teknologien, så i fremtiden, vi vil være i stand til at besvare spørgsmål, der kræver større præcision, "Sagde Newby.