1974, een fysicus van Fermilab voorspelde een nieuwe manier waarop spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, met materie kunnen interageren. Meer dan vier decennia later, een door UChicago geleid team van natuurkundigen bouwde 's werelds kleinste neutrinodetector om de ongrijpbare interactie voor de eerste keer waar te nemen.

Neutrino's zijn een uitdaging om te bestuderen omdat hun interacties met materie zo zeldzaam zijn. Bijzonder ongrijpbaar was wat bekend staat als coherente elastische neutrino-nucleusverstrooiing, die optreedt wanneer een neutrino tegen de kern van een atoom botst.

De internationale COHERENTE samenwerking, waaronder natuurkundigen van UChicago, heeft het verstrooiingsproces gedetecteerd door een detector te gebruiken die klein en licht genoeg is om door een onderzoeker te kunnen worden gedragen. Hun bevindingen, die de theorie van Daniel Freedman van Fermilab bevestigen, werden op 3 augustus in het tijdschrift gerapporteerd Wetenschap .

"Waarom duurde het 43 jaar om deze interactie te observeren?" vroeg co-auteur Juan Collar, UChicago hoogleraar natuurkunde. "Wat er gebeurt is heel subtiel." Freedman zag niet veel kans op experimentele bevestiging, destijds schreef:"Onze suggestie kan een daad van overmoed zijn, omdat de onvermijdelijke beperkingen van de interactiesnelheid, resolutie en achtergrond vormen ernstige experimentele problemen."

Wanneer een neutrino tegen de kern van een atoom botst, het creëert een kleine, nauwelijks meetbare terugslag. Een detector maken van zware elementen zoals jodium, cesium of xenon verhoogt dramatisch de kans op deze nieuwe manier van neutrino-interactie, vergeleken met andere processen. Maar er is een afweging, omdat de kleine nucleaire terugslag die het gevolg is, moeilijker te detecteren wordt naarmate de kern zwaarder wordt.

"Stel je voor dat je neutrino's pingpongballen zijn die een bowlingbal raken. Ze zullen deze bowlingbal maar een klein beetje extra momentum geven, ' zei Kraag.

Om dat kleine terugslag te detecteren, Collar en collega's kwamen erachter dat een met natrium gedoteerd cesiumjodidekristal het perfecte materiaal was. De ontdekking bracht de wetenschappers ertoe de zware, gigantische detectoren gebruikelijk in neutrino-onderzoek voor een vergelijkbaar in grootte als een broodrooster.

Geen gigantisch lab

De 4-inch-bij-13-inch detector die werd gebruikt om de Wetenschap resultaten weegt slechts 32 pond (14,5 kilogram). In vergelijking, 's werelds beroemdste neutrino-observatoria zijn uitgerust met duizenden tonnen detectormateriaal.

"Je hoeft er geen gigantisch laboratorium omheen te bouwen, " zei UChicago-promovendus Bjorn Scholz, wiens proefschrift het resultaat zal bevatten dat wordt gerapporteerd in de Wetenschap papier. "We kunnen nu nadenken over het bouwen van andere kleine detectoren die dan kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld om de neutrinoflux in kerncentrales te monitoren. Je zet gewoon een leuke kleine detector aan de buitenkant, en je kunt het ter plaatse meten."

Neutrino-fysici, In de tussentijd, zijn geïnteresseerd in het gebruik van de technologie om de eigenschappen van het mysterieuze deeltje beter te begrijpen.

"Neutrino's zijn een van de meest mysterieuze deeltjes, ' zei Collar. 'We negeren veel dingen over hen. We weten dat ze massa hebben, maar we weten niet precies hoeveel."

Door coherente elastische neutrino-kernverstrooiing te meten, natuurkundigen hopen dergelijke vragen te beantwoorden. De COHERENTE samenwerking Wetenschap papier, bijvoorbeeld, legt limieten op aan nieuwe soorten neutrino-quark interacties die zijn voorgesteld.

De resultaten hebben ook implicaties bij het zoeken naar zwak reagerende massieve deeltjes. WIMP's zijn kandidaatdeeltjes voor donkere materie, dat is onzichtbaar materiaal van onbekende samenstelling dat 85 procent van de massa van het universum uitmaakt.

"Wat we hebben waargenomen met neutrino's is hetzelfde proces dat naar verwachting zal spelen in alle WIMP-detectoren die we hebben gebouwd, ' zei Kraag.

Neutrino steegje

De COHERENTE samenwerking, waarbij 90 wetenschappers betrokken zijn bij 18 instellingen, heeft zijn zoektocht naar coherente neutrinoverstrooiing uitgevoerd bij de Spallation Neutron Source in het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. De onderzoekers installeerden hun detectoren in een keldergang die bekend werd als 'neutrino-steeg'. Deze gang is zwaar afgeschermd door ijzer en beton van het zeer radioactieve doelgebied van de neutronenbundel, slechts 20 meter (minder dan 25 yards) verwijderd.

Deze neutrino-steeg loste een groot probleem voor neutrino-detectie op:het schermt bijna alle neutronen uit die worden gegenereerd door de Spallation Neutron Source, maar neutrino's kunnen de detectoren nog steeds bereiken. Hierdoor kunnen onderzoekers neutrino-interacties in hun gegevens duidelijker zien. Elders zouden ze gemakkelijk worden overstemd door de meer prominente neutronendetecties.

De Spallation Neutronenbron genereert de meest intense gepulste neutronenbundels ter wereld voor wetenschappelijk onderzoek en industriële ontwikkeling. Tijdens het genereren van neutronen, de SNS produceert ook neutrino's, hoewel in kleinere hoeveelheden.

"Je zou een geavanceerder type neutrinodetector kunnen gebruiken, maar niet de juiste soort neutrinobron, en je zou dit proces niet zien, "Zei Collar. "Het was het huwelijk van de ideale bron en de ideale detector die het experiment deed werken."

Twee voormalige afgestudeerde studenten van Collar zijn co-auteurs van de Science-paper:Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, nu een assistent-professor natuurkunde aan de Duke University; en Nicole Velden, PhD'15, nu een gezondheidsfysicus bij de U.S. Nuclear Regulatory Commission in Chicago.

De ontwikkeling van een compacte neutrinodetector brengt een idee tot stand dat UChicago-alumnus Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, voorgesteld in 1984. Stodolsky en Andrzej Drukier, beide van het Max Planck Instituut voor Natuurkunde en Astrofysica in Duitsland, merkte op dat een coherente detector relatief klein en compact zou zijn, in tegenstelling tot de meer gebruikelijke neutrino-detectoren die duizenden liters water of vloeibare scintillator bevatten. In hun werk, ze voorspelden de komst van toekomstige neutrino-technologieën, mogelijk gemaakt door de miniaturisatie van de detectoren.

Scholz, de afgestudeerde student van UChicago, groette de wetenschappers die tientallen jaren hebben gewerkt aan het creëren van de technologie die culmineerde in de detectie van coherente neutrinoverstrooiing.

"Ik kan niet bevatten hoe ze zich moeten voelen nu het eindelijk is ontdekt, en ze hebben een van hun levensdoelen bereikt, "Zei Scholz. "Ik ben aan het einde van de race binnengekomen. We moeten zeker de eer geven aan al het geweldige werk dat mensen voor ons hebben gedaan."