Testning begynder på følsom neutrino-detektor til ikke-spredning og grundlæggende fysik

Neutrinoer og antineutrinoer er næsten masseløse partikler, der produceres i mange nukleare reaktioner, herunder spaltningen af ​​uran i atomkraftværker på Jorden og fusionsreaktionerne i solens kerne.

Men de er djævelsk svære at opdage - de fleste passerer gennem Jorden uden at stoppe - hvilket gør det vanskeligt at studere de nukleare reaktioner, der finder sted i stjernernes kerne eller i stjerneeksplosioner eller at overvåge atomkraftværker for ulovlig produktion af bombemateriale.

En ny type neutrino-detektor, der nu testes i et stort underjordisk laboratorium ved University of California, Berkeley, er designet til at udnytte de nyeste teknologier til at forbedre følsomheden og kapaciteten af ​​antineutrino-detektorer. Sådanne forbedrede detektorer ville ikke kun hjælpe med at detektere, lokalisere og karakterisere udeklareret specielt nukleart materiale, der bruges i strid med føderale eller internationale regler, men også hjælpe videnskabsmænd med at udforske partiklernes grundlæggende fysik og deres interaktioner dybt inde i atomets kerne.

Kaldet Eos, for Titan-gudinden af ​​daggry, signalerer apparatet "gryden til en ny æra af neutrino-detektionsteknologi," ifølge Gabriel Orebi Gann, en UC Berkeley lektor i fysik og lederen af ​​Eos-samarbejdet.

Prototypedetektoren kan detektere og karakterisere nukleare aktiviteter og materialer på afstand, det vil sige i afstande større end omkring 100 meter. Mens radioaktivitet fra nukleart materiale kan beskyttes mod påvisning, kan antineutrinoer produceret i fissionsreaktioner ikke. Fordi der produceres milliarder i en reaktor hvert nanosekund, burde Eos være i stand til at opdage nok antineutrinoer til at identificere hemmelig produktion af bombekvalitetsmateriale.

"Ideen med neutrino-detektion er, at du ikke kan forfalske det, du kan ikke skærme det, du kan ikke forfalske det. Neutrinoer rejser næsten med lysets hastighed, så de giver næsten øjeblikkelig detektion, selv på afstand. De tilbyde en unik signatur af nuklear aktivitet," sagde Orebi Gann, som også er fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Hvis du enten er langt væk, eller du har en meget svag signatur, så har du brug for en stor detektor. Og til en stor detektor har du brug for væske."

Eos er en 10 meter høj, 5 meter bred cylinder fyldt med vand og en organisk scintillator og omgivet af lysdetektorer, der er tre gange mere følsomme end dem, der bruges i fysikforsøg i dag. Eos' forbedrede følsomhed og højere opløsning kommer fra at kombinere to af nutidens bedste teknikker til at detektere neutrinoer:scintillation og Cherenkov-emission.

Forbedringerne kan være en game-changer for fremtidige neutrinofysikprojekter, såsom Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), der nu bygges i en forladt guldmine i Lead, South Dakota, for at detektere neutrinoer udsendt af en partikelaccelerator på Fermi National Laboratory , 500 miles væk i Illinois. UC Berkeley og Berkeley Lab er medlemmer af DUNE-samarbejdet.

"Det, vi i sidste ende gerne vil bygge, er en meget større detektor kaldet Theia," sagde hun. "Theia er lysets Titan-gudinde og Eos' mor i gudernes pantheon. Den ideelle placering for Theia er i den mine i South Dakota, hvor hun ser de neutrinoer fra Fermilab."

Det er stadig uvist, om Theia – som ville bruge en tank stor nok til næsten at sluge Frihedsgudinden – vil erstatte en af ​​DUNE's fire planlagte flydende argon-detektorer.

Orebi Gann hævder, at en hybriddetektor som Theia, mens den giver sammenlignelig følsomhed til at studere højenergistrålen af ​​neutrinoer, som er det primære mål for DUNE, ville tilføje nye muligheder ud over en argon-detektor, herunder evnen til at detektere antineutrinoer. Theia ville også have en 2-graders pegende nøjagtighed for placeringen af ​​en supernova via neutrino-udbruddet og ville have kapacitet til at søge efter lavenergi-solneutrinoer og Majorana-neutrinoer.

En hybrid neutrino-detektor

Eos er unik ved at være en hybrid af de to hovedtyper af flydende neutrino-detektorer, som begge starter med en tank med væske.

En teknik er baseret på en scintillator - i dette tilfælde lineær alkylbenzen - der udsender lys som reaktion på de ladede partikler, der produceres under interaktioner med en neutrino eller antineutrino.

Neutrinoer og antineutrinoer kan også interagere med andre materialer, såsom vand, for at producere en elektron, som derefter udsender sit eget lys, dog meget svagere end scintillationslys. Sidstnævnte kaldes Cherenkov-stråling og udsendes, når elektronen pløjer gennem væsken hurtigere end lysets hastighed i væsken, svarende til den akustiske energi fra en sonisk bom produceret af et fly, der rejser hurtigere end lydens hastighed.

I begge teknikker er følsomme lysdetektorer kaldet fotomultiplikatorrør anbragt rundt om tanken for at registrere intensiteten af ​​det svage lys. Intensiteten af ​​scintillationen giver information om neutrinoens eller antineutrinoens energi.

Cherenkov-stråling udsendes imidlertid i en kegle, så den kan give information om den retning, hvorfra neutrinoen kom, en vigtig information til at studere atomreaktorkilder såvel som kosmiske neutrinokilder.

"Fotomultiplikatorrør er følsomme over for enkeltfotonniveauer af lys," sagde Orebi Gann. "Men en væskescintillator giver dig meget mere lys:Hvis du har en elektron med samme energi, får du 50 gange mere lys, afhængigt af scintillatoren, end fra Cherenkov-emissionen. Det betyder, at du får bedre præcision for at forstå, hvor energien blev deponeret, og hvor meget energi der var."

"Vi sagde, OK, vi vil ikke vælge og vrage. Vi kan ikke lide at gå på kompromis. Vi vil begge dele. Og det er målet her. Vi vil have topologien af ​​Cherenkov-lys, men opløsningen af ​​scintillation," sagde hun .

Problemet er, at lys fra scintillation er så skarpt, at det overvælder Cherenkov-lyset.

Heldigvis kommer Cherenkov-lyset ud i et picosekund-udbrud, hvorimod scintillationslys bliver hængende i nanosekunder.

"Hvis du har meget hurtige fotondetektorer, kan du bruge tidsforskellen til at hjælpe med at adskille disse to signaturer," sagde hun. Eos vil omgive væsketanken med 242 fotomultiplikatorrør lavet af det japanske firma Hamamatsu, der er tre gange hurtigere end nuværende fotomultiplikatorer.

Det synlige område af Cherenkov-lys har et rødere farvespektrum end scintillationslys, som for det meste er blåt. Holdet udnytter dette ved at omgive den forreste række af fotomultiplikatorer med et "dichroisk" filter, der reflekterer rødt Cherenkov-lys ind i fotomultiplikatoren, men lader blåt scintillationslys passere igennem til fotomultiplikatorer på bagsiden.

"Du sorterer dybest set dine fotoner efter bølgelængde og dirigerer dem til forskellige fotondetektorer baseret på bølgelængden," sagde hun.

Orebi Gann og hendes team begyndte at samle Eos i september, forsinket i seks uger på grund af ødelæggelsen af ​​den første ståltank, da lastbilen med den kolliderede med en overkørsel. Tankene er så store, at forskerne måtte huse eksperimentet i et stort kælderlaboratorium – tidligere besat af en atomreaktor – drevet af UC Berkeleys Department of Nuclear Engineering.

De omgav akryltanken med fotomultiplikatorrørene, og løftede derefter hele samlingen ind i en cylindrisk ståltank. Den indvendige akryltank og mellemrummet mellem akryl- og ståltankene blev derefter fyldt med rent vand, idet fotomultiplikatorrørene blev nedsænket i mellemrummet.

Når holdet tester Eos' evne til at detektere Cherenkov-lys fra kunstige radioaktive kilder og naturlige, kosmiske myoner, vil de gradvist tilføje scintillatormateriale for at teste eksperimentets evne til at skelne mellem de to typer lysemissioner.

"Vi har også designet vores detektor, så vi kan implementere ren væskescintillator," sagde Orebi Gann. "Dette ville være den ultimative test:hvis vi stadig kan se Cherenkov-signaturen selv med den maksimale scintillationskomponent."

Planerne kræver, at man undersøger, hvor godt Eos kan overvåge små modulære reaktorer og atomdrevne maritime fartøjer og kontrollere teststedets gennemsigtighed.

Orebi Gann er også ivrig efter at anvende Eos-designet i generelle neutrinofysikstudier, såsom måling af neutrinoerfluxen fra solens kerne for at verificere de forudsagte nukleare reaktioner, der driver den; undersøgelser af terrestriske kilder til neutrinoer; kortlægning af den diffuse supernova neutrino baggrund i Mælkevejen og videre; og den igangværende søgen efter neutrinoløst dobbelt beta-henfald, hvilket ville indikere, at en neutrino er sin egen antipartikel.

Alle disse spørgsmål udforskes allerede med enten scintillator- eller Cherenkov-detektorerne, men Orebi Gann håber, at en hybriddetektor vil fremskynde fremskridtene.

"Den samme slags fysik, som hver af disse detektorer har gjort tidligere, kunne vi gøre det bedre," sagde hun. "Det er målet. Det er R&D til næste generation."

Leveret af University of California - Berkeley