De laatste tijd, neutrino's - de kleine, bijna massaloze deeltjes die veel wetenschappers bestuderen om de fundamentele werking van het universum beter te begrijpen, vormen een probleem voor natuurkundigen.

Ze weten dat deze deeltjes in enorme aantallen worden geproduceerd door kernreacties zoals die plaatsvinden in onze zon. Ze weten ook dat neutrino's niet vaak interactie hebben met materie; miljarden van hen gingen door je hand in de tijd die je nodig had om deze zin te lezen.

Maar in tal van experimenten over de hele wereld, onderzoekers vinden een tekort in het aantal neutrino's dat ze zien versus wat ze verwachten te zien, gebaseerd op theorie. En dit heeft niets te maken met het heen en weer schuiven tussen de drie smaken neutrino die ook natuurkundigen al kennen.

Een mogelijke verklaring is dat er een vierde soort neutrino is dat niet is gedetecteerd. Het wordt een steriel neutrino genoemd. En NIST-wetenschappers zullen er volgend jaar naar gaan zoeken als onderdeel van het Precision Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT), een samenwerking tussen 68 wetenschappers en ingenieurs van 10 universiteiten en vier nationale laboratoria.

"Dit is mogelijk een ontdekkingsexperiment, " zegt Pieter Mumm van NIST, die mede-oprichter en mede-woordvoerder van het project is, samen met Karsten Heeger aan de Yale University en Nathaniel Bowden aan het Lawrence Livermore National Laboratory. Het ontdekken van een nieuw deeltje zou "super opwindend zijn, " hij gaat door, omdat een nieuw type neutrino geen deel uitmaakt van het standaardmodel van de natuurkunde, de goed doordachte verklaring voor het universum zoals wij het kennen.

Om het nieuwe deeltje te vinden of zijn bestaan ​​definitief te weerleggen, de PROSPECT-samenwerking bereidt zich voor op de bouw van een eerste in zijn soort detector voor neutrino-experimenten op korte afstand, een kernreactor als neutrinobron gebruiken.

Het werk kon niet alleen licht werpen op nieuwe fysica, maar het zou onderzoekers ook een nieuw instrument kunnen geven om kernreactoren te monitoren en te beveiligen.

VOORUITZICHTEN voor neutrino's

In tegenstelling tot andere neutrino-experimenten, die typisch kijken naar de schommelingen tussen de drie bekende smaken over afstanden van kilometers of honderden kilometers, PROSPECT zal kijken naar neutrino-oscillaties over slechts een paar meter, de ruimte van een kleine kamer. De afstand is te kort om oscillaties tussen de bekende smaken te zien. Maar het is precies de juiste schaal voor de veronderstelde steriele neutrino-oscillaties.

Deze opstelling "geeft je een handtekening die absoluut ijzersterk is, " zegt mama. "Als je die variatie ziet, die karakteristieke trilling, er is maar één verklaring voor. Het moeten steriele neutrino's zijn."

De detector zelf zal een kubus van ongeveer 4,5 meter hebben en zal bestaan ​​uit een reeks van 11 bij 14 lange dunne "cellen" die op elkaar zijn gestapeld [zie diagram], met een verwachte ruimtelijke resolutie van ongeveer 10 kubieke centimeter. Als bron voor neutrino's, PROSPECT zal de High Flux Isotope Reactor gebruiken in het Oak Ridge Laboratory in Tennessee. Het experiment zal zo dicht mogelijk bij de reactorkern zelf worden geplaatst - slechts 7 meter (ongeveer 20 voet) verwijderd.

PROSPECT zal de steriele neutrino's niet direct zien. Liever, het zal een bepaald soort neutrino detecteren dat regelmatig wordt geproduceerd in kernreactoren:het elektron-type antineutrino.

Om een ​​elektron antineutrino te identificeren, de onderzoekers gaan op zoek naar een bepaald signaal in het licht. Elke cel in de detector is gevuld met een sprankelend materiaal. Dat betekent dat energie wordt omgezet in licht, die wordt versterkt en opgepikt door een paar fotomultiplicatorbuizen op elke cel.

Wanneer een neutrino een proton raakt in de vloeistof die de cellen vult, het creëert nieuwe deeltjes die energie afzetten in de detector. Deze dochterdeeltjes vormen een signatuur die onderzoekers vertelt dat er ooit een neutrino was (zie diagram hierboven).

"Wat we eigenlijk waarnemen is het licht dat wordt uitgestraald door de vloeibare scintillator, ' zegt mama. Het signaal waar ze naar zoeken is 'iets dat op een positron lijkt, gevolgd op het juiste moment [tientallen microseconden, of miljoensten van een seconde] door iets dat lijkt op een neutronenvangst."

Volgende stappen

Tot dusver, de samenwerking heeft geleid tot een reeks prototypes, inclusief een paar cellen die op schaal zijn gebouwd, en voert simulaties uit om de modellen te valideren die ze gebruiken om het signaal te scheiden van de hoge achtergronden die ze verwachten. Dankzij subsidies van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Heising-Simons Foundation deze zomer, ze zijn begonnen met het fysiek bouwen van de detector.

PROSPECT moet binnen drie jaar de vraag beantwoorden of er al dan niet steriele neutrino's zijn, zegt mama. In de tussentijd, het werk van de samenwerking heeft een aantal potentieel baanbrekende spin-offs voor reactorfysica. Bijvoorbeeld, wetenschappers zouden deze technologie mogelijk kunnen gebruiken om een ​​apparaat te ontwikkelen om reactoractiviteiten op afstand te monitoren.

"Je kunt je voorstellen, tenminste, het lijkt me dat dit een behoorlijk krachtig hulpmiddel kan zijn in de juiste omstandigheden, ' Zegt mama. 'Je kunt neutrino's niet afschermen. Er is geen manier om het te vervalsen."