Behalve in horrorfilms, de meeste wetenschappelijke experimenten beginnen niet met wetenschappers die rondsnuffelen in smalle, verlaten gangen. Maar een weggestopte locatie in de nissen van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE) bood precies wat Yuri Efremenko zocht.

Efremenko, een ORNL-onderzoeker en professor aan de Universiteit van Tennessee in Knoxville, is de woordvoerder van het COHERENT-experiment, die neutrino's bestudeert. Het team gebruikt vijf deeltjesdetectoren om een ​​specifieke interactie tussen neutrino's en atoomkernen te identificeren. De meest voorkomende deeltjes in het heelal, neutrino's zijn extreem licht en hebben geen elektrische lading. Ze interageren heel weinig met andere deeltjes. In feite, triljoenen passeren de aarde per seconde, geen indruk achterlaten. Onnodig te zeggen, ze zijn notoir moeilijk te detecteren.

Aanvankelijk, het team onderzocht een bruisend gebied in de buurt van de Spallation Neutron Source (SNS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL in Tennessee. De neutronen die de SNS produceert, drijven 18 verschillende instrumenten aan die de SNS omringen als spaken op een wiel. Het SNS produceert ook neutrino's, die in alle richtingen wegvliegen van het doel van de deeltjesversneller. Maar door de neutrino-detectoren op dezelfde verdieping als de SNS te plaatsen, zouden de apparaten worden blootgesteld aan achtergronddeeltjes die de onzekerheden zouden vergroten.

"We hadden het geluk om op een dag de kelder in te gaan, " zei David Dean, ORNL's Physics Division Director. Na enkele watervaten opzij te hebben geschoven en achtergrondtesten te hebben uitgevoerd, ze waren in zaken. De locatie in de kelder zou de machines beschermen tegen blootstelling aan achtergronddeeltjes. Nadat wetenschappers de detectoren van het experiment hadden geïnstalleerd, ze gaven de gang de bijnaam 'Neutrino Alley'.

Het experiment, SAMENHANG genoemd, vormt een schril contrast met de meeste andere neutrino-experimenten. Om een ​​glimp op te vangen van deze minuscule deeltjes, de meeste experimenten gebruiken ongelooflijk grote machines, vaak op afgelegen locaties. Eén bevindt zich op de Zuidpool, terwijl een andere neutrinostralen honderden mijlen naar een verre detector schiet. Naast de alledaagse locatie, De hoofddetector van COHERENT is nauwelijks groter dan een melkkan. In feite, het is de kleinste werkende neutrinodetector ter wereld.

Maar COHERENT en een zusterexperiment bij ORNL, VERWACHTING, laten zien dat neutrino-experimenten niet enorm hoeven te zijn om grote ontdekkingen te doen. Deze twee bescheiden experimenten, ondersteund door DOE's Office of Science, staan ​​klaar om enkele grote lacunes in ons begrip van dit vreemde deeltje op te vullen.

De mysteries van de neutrino

Hoewel neutrino's enkele van de kleinste deeltjes in het universum zijn, het onderzoeken ervan kan enorme inzichten opleveren.

"Neutrino's vertellen ons enorm veel over hoe het universum wordt gecreëerd en bij elkaar wordt gehouden, " zei Nathaniel Bowden, een wetenschapper bij het Lawrence Livermore National Laboratory van DOE en medewoordvoerder van PROSPECT. "Er is geen andere manier om veel van de vragen die we hebben te beantwoorden." Als we begrijpen hoe neutrino's op elkaar inwerken, kunnen we zelfs begrijpen waarom materie - en alles wat daaruit is gemaakt - überhaupt bestaat.

Maar neutrino's hebben het beantwoorden van deze vragen niet gemakkelijk gemaakt. Er zijn drie verschillende soorten neutrino's, die zich elk anders gedragen. In aanvulling, ze veranderen van type terwijl ze reizen. Sommige wetenschappers hebben een nog niet eerder gezien deeltje voorgesteld, het steriele neutrino. Natuurkundigen theoretiseren dat als steriele neutrino's bestaan, ze zouden zelfs minder met andere deeltjes interageren dan gewone deeltjes. Dat zou het bijna onmogelijk maken om ze te detecteren.

Maar dat is een grote "als." Een steriel neutrino zou het eerste deeltje zijn dat niet wordt voorspeld door het standaardmodel, samenvatting van hoe het universum functioneert.

"Neutrino's kunnen de aanwijzing bevatten voor het ontdekken van deeltjesfysica buiten het standaardmodel, zei Karsten Heeger, een professor aan de Yale University en medewoordvoerder van PROSPECT.

Op zoek naar een samenhangend antwoord met COHERENT

Een team van wetenschappers van ORNL, andere DOE nationale laboratoria, en universiteiten ontwierpen het COHERENT-experiment om een ​​specifieke interactie tussen neutrino's en kernen te identificeren. Terwijl natuurkundigen deze interactie meer dan 40 jaar geleden hadden voorspeld, ze hadden het nooit ontdekt.

De meeste neutrino's hebben alleen interactie met individuele protonen en neutronen. Maar als de energie van een neutrino laag genoeg is, het zou moeten interageren met een hele kern in plaats van met de afzonderlijke delen ervan. Theoretici stelden voor dat wanneer een neutrino met lage energie een kern nadert, de twee deeltjes wisselen een elementair deeltje uit dat een Z-boson wordt genoemd. Terwijl het neutrino het Z-boson vrijgeeft, het neutrino stuitert weg. Omdat de kern het Z-boson ontvangt, de kern deinst enigszins terug. Die interactie wordt coherente elastische neutrino-kernverstrooiing genoemd.

Omdat de meeste kernen veel groter zijn dan individuele protonen of neutronen, wetenschappers zouden dit soort interactie vaker moeten zien dan interacties die worden aangedreven door neutrino's met een hogere energie. Door de kleine terugslagenergie te "zien", COHERENT's detectoren ter grootte van een liter maken het voor wetenschappers mogelijk om de eigenschappen van neutrino's te bestuderen.

"Het is best cool dat je een interactie van neutrino's kunt zien met iets dat je in je hand kunt houden, " zei Kate Scholberg, een professor aan de Duke University en medewerker aan COHERENT.

Maar dit alles zou niet mogelijk zijn zonder ORNL's SNS. De neutrino's die de SNS produceert, gaan door beton en grind om de kelder van ORNL te bereiken. Ze hebben precies de juiste energie om deze specifieke interactie teweeg te brengen. De gepulseerde straal van de SNS stelt wetenschappers ook in staat om achtergrond "ruis" van andere deeltjes weg te filteren.

"Er is nogal een stroom van neutrino's die werd verspild, bij de SNS, bij wijze van spreken. Het is de perfecte bron voor coherente verstrooiing - de pyjama van de kat, " zei Juan Collar, een professor aan de Universiteit van Chicago en medewerker aan COHERENT.

Na 15 maanden te hebben gelopen, COHERENT betrapte 134 keer neutrino's bij het afgeven van Z-bosonen.

Over de schouder van zijn afgestudeerde student kijkend terwijl hij de gegevens doornam, Collar was opgetogen om te zien dat de resultaten precies waren zoals verwacht. "Toen we eindelijk naar het verwerkte keken, volledige gegevensset, we gingen 'wheeeeeeeee!'" zei hij.

Het meten van dit fenomeen - neutrino-nucleus elastische verstrooiing - geeft natuurkundigen een nieuw en veelzijdig hulpmiddel om neutrino's te begrijpen.

"Het heeft ons venster geopend om naar de fysica buiten het standaardmodel te zoeken, ' zei Efremenko.

Met behulp van deze interactie, wetenschappers kunnen misschien beter begrijpen hoe supernova's exploderen en neutrino's produceren.

Hoewel deze detectoren vooral worden gebruikt voor fundamenteel onderzoek, hun kleine formaat kan ook nuttig zijn voor andere toepassingen. Kernreactoren produceren verschillende soorten en hoeveelheden neutrino's, afhankelijk van of ze energie of materiaal van wapenkwaliteit produceren. Een detector zo klein als die van COHERENT zou het monitoren van nucleaire faciliteiten veel gemakkelijker kunnen maken.

Precisie vinden met PROSPECT

Terwijl COHERENT op zoek was naar een specifiek fenomeen, het PROSPECT-experiment zal zich richten op het maken van ongelooflijk nauwkeurige metingen van neutrino's uit een kernreactor als ze van type veranderen. Eerdere experimenten met kernreactoren hebben geleid tot metingen die afwijken van de theorie. Het PROSPECT-team heeft een experiment ontworpen dat eventuele discrepanties kan onderzoeken, mogelijke bronnen van fouten elimineren, of zelfs het steriele neutrino ontdekken.

Vergeleken met eerdere experimenten met neutrinoreactoren, PROSPECT zal het aantal en type neutrino's nauwkeuriger kunnen meten, de afstand die ze afleggen van de reactor, en hun energie. PROSPECT verschilt van andere experimenten doordat de detector meerdere secties heeft in plaats van één enkele kamer. Hierdoor kunnen wetenschappers verschillende neutrino-oscillatielengtes meten en vergelijken - dat wil zeggen, hoe ver van de reactor neutrino's van type veranderen.

Als steriele neutrino's bestaan, dit detectorontwerp kan wetenschappers ook in staat stellen om reguliere neutrino's te observeren die overgaan in steriele neutrino's. In theorie, deze nieuwe vorm van neutrino's zou op een bepaalde afstand van de detectorkern moeten verschijnen.

De Hoge Flux Isotopen Reactor (HFIR), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL, zal PROSPECT voorzien van zijn neutrino's. Commerciële kernreactoren gebruiken een verscheidenheid aan uranium- en plutoniumbrandstoffen met verschillende combinaties van isotopen. Dit resulteert in een breed spectrum van neutrino-energieën. Dat maakt het moeilijk om vast te stellen welke isotopen welke neutrino's produceren. Als onderzoeksreactor HFIR gebruikt slechts één isotoop van uranium:uranium-235. Door de antineutrino's van die ene isotoop te meten, het PROSPECT-team kan beter begrijpen hoe alle kernreactoren neutrino's produceren.

Wetenschappers in de PROSPECT-samenwerking hebben onlangs een detector gebouwd in het Wright Laboratory van Yale University. Hoewel het actieve detectorgebied veel groter is dan COHERENT's detector van melkkanformaat, het is nog steeds slechts 1,20 meter breed en weegt ongeveer vijf ton. Vergeleken met detectoren die duizenden tonnen wegen, ook dit experiment is aan de kleine kant. Zodra PROSPECT is voltooid en op zijn plaats is, er zijn drie jaar gegevens nodig.

Hoewel deze experimenten klein lijken in vergelijking met andere, ze zouden antwoorden kunnen onthullen over neutrino's die zich al tientallen jaren voor natuurkundigen verbergen. Het kan een kwestie zijn van wetenschappers die weten waar en hoe ze moeten kijken, zelfs als dat in een schijnbaar gewone opslaghal is.