Een nieuw project van het Amerikaanse ministerie van Energie om de eerste detector te ontwikkelen die kernreactoren op afstand kan bewaken, zal natuurkundigen ook helpen bij het testen van de volgende generatie neutrino-observatoria.

Kernreacties produceren veelbetekenende antineutrino's - de antimaterie-tegenhanger van neutrino's. De nieuwe detectoren zullen worden ontworpen om de energie van dergelijke antineutrino's te meten en de richting waaruit ze komen, waardoor monitoring van reactoren vanaf een afstand van 25 kilometer mogelijk is om non-proliferatieovereenkomsten te verifiëren. Dit project zal de basis leggen voor grotere detectoren die de werking van de reactor kunnen monitoren op een afstand van enkele honderden kilometers, landen helpen bij het volgen of beperken van de productie van splijtstoffen die in kernwapens kunnen worden gebruikt.

Maar natuurkundigen zijn ook geïnteresseerd in het detecteren van neutrino's en antineutrino's om de basiswetten van het universum te ontdekken, in het bijzonder om te leren waarom het universum van vandaag voornamelijk bestaat uit normale materie met heel weinig antimaterie, terwijl beide tijdens de oerknal in gelijke hoeveelheden hadden moeten worden gemaakt.

"Deze neutrino-waarnemingen hebben zeer brede implicaties; ze kunnen ons helpen verklaren hoe we zijn ontstaan, " zei Gabriël Orebi Gann, een assistent-professor natuurkunde en faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, de hoofdonderzoeker van UC Berkeley voor de nieuwe detector.

Het eerste project heet Watchman, voor WATer CHerenkov Monitor van ANTineutrinos, en zal worden gebouwd door een grote samenwerking tussen onderzoekers in de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk, geleid door het Lawrence Livermore National Laboratory. UC Berkeley en het Berkeley Lab zijn lid van de samenwerking, genaamd de Advanced Instrumentation Testbed, of AIT, die wordt gefinancierd door de DOE's National Nuclear Security Administration.

Onder voorbehoud van definitieve goedkeuring door de mijnautoriteiten, Watchman zal worden gebouwd op de plaats van het Boulby Underground Laboratory, een bestaande door de Britse overheid gefinancierde diepe ondergrondse wetenschappelijke faciliteit die werkt in een werkende potas, polyhaliet- en zoutmijn (Boulby Mine) gelegen aan de noordoostkust van Engeland. Bij de geplande operationele start in 2023, het zal bestaan ​​uit 3, 500 ton vloeistof, meestal water gemengd met het element gadolinium, die zal worden afgestemd om interacties te detecteren van antineutrino's die worden uitgestoten door een kernreactor in het Hartlepool-complex, 25 kilometer verderop.

Deze antineutrino's zullen interageren met protonen in het waterdoel om positronen te produceren, de antimaterie partners van elektronen, die licht produceren in de detector wanneer ze sneller reizen dan de lichtsnelheid in de vloeistof - het equivalent van een sonische knal, zogenaamd Cherenkov-licht. De intensiteit van het licht vertelt wetenschappers de energie van deze positronen, die moeten overeenkomen met voorspellingen.

Neutrino's niet erg interactief

Neutrino's en antineutrino's behoren tot de meest ongrijpbare deeltjes van de natuur, door stof gaan, inclusief de hele aarde, zonder enige interactie met andere zaken. Ze reizen met bijna de snelheid van het licht, en de wetenschappers die ontdekten dat ze een kleine massa hebben, wonnen in 2015 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Terwijl de eerste fase van Watchman de huidige detectortechnologie zal gebruiken, de tweede fase zal verschillende geavanceerde technologieën inzetten om de gevoeligheid voor laagenergetische antineutrino's te verbeteren. Deze omvatten vloeistofscintillatoren op waterbasis en snelle fotosensoren en lichtconcentrators om onderscheid te maken tussen lichtflitsen die gescheiden zijn door een paar honderd picoseconden - 10 keer beter dan de huidige fotomultiplicatorbuizen.

"Deze demonstratie zal de basis leggen voor grotere detectoren die nodig zouden zijn om kleine reactoren te monitoren of te ontdekken op afstanden tot enkele honderden kilometers. " zei Adam Bernstein, AIT-hoofdonderzoeker en een LLNL-fysicus.

Voor Orebi Gann, AIT is een kans om nieuwe en gevoeligere detectoren te testen voor een toekomstig neutrino-observatorium dat Theia wordt genoemd, naar de Titanengodin van het licht. Theia wordt naar verwachting een 50, 000 ton tank met op water gebaseerde vloeibare scintillator met radioactieve metalen toegevoegd om neutrino-interacties en snelle fotosensoren te verbeteren, plus andere state-of-the-art technologie.

"Ik ben erg enthousiast om bij te dragen aan de AIT en Watchman omdat het een heel belangrijke stap is op weg naar Theia, " zei Orebi Gann, die niet alleen betrokken is geweest bij het Sudbury Neutrino Observatorium in Canada, waar de neutrinomassa voor het eerst werd gedetecteerd, maar ook zijn opvolger, SNO+.

Is het neutrino zijn eigen antideeltje?

De belangrijkste vraag van de neutrinofysica van vandaag is of het neutrino zijn eigen antimateriedeeltje is. Dat is, zijn de neutrino en antineutrino hetzelfde? Als dit waar zou zijn, het zou een manier zijn om de asymmetrie tussen materie en antimaterie in het universum te verklaren:het zou het bestaan ​​mogelijk maken van nieuwe en zeer zware neutrino's die er pas na de oerknal zouden zijn geweest, en zou bij voorkeur zijn vervallen tot materie in plaats van antimaterie.

"Als we het niet zien, als we zien dat neutrino's niet hun eigen antideeltjes zijn, dat is even groot, omdat dat zegt dat er iets anders is dat materie van antimaterie onderscheidt, behalve elektrische lading, "Orebi Gann zei:"dat er een andere symmetrie is die we niet kennen en die het neutrino onderscheidt van het antineutrino."

De belangrijkste test ligt in waarnemingen van dubbel bètaverval, de zeldzaamste vorm van radioactief verval waarbij twee neutronen in de kern van een atoom spontaan vervallen, elk creëert een proton, een elektron en een antineutrino. Als neutrino's en antineutrino's hetzelfde deeltje zijn, in sommige gevallen van deze zeldzame gebeurtenis zouden de twee neutrino's/antineutrino's elkaar in de kern vernietigen en onderzoekers zouden geen antineutrino's zien verschijnen.

Dus, natuurkundigen zijn op zoek naar gebeurtenissen - zogenaamde neutrinoloze dubbele bètaverval - waarbij twee energetische elektronen betrokken zijn die alle energie van het dubbele bètaverval dragen, en niets anders.

SNO+ maakt gebruik van een vloeibaar scintillator-doel dat ongeveer 50 keer meer licht produceert als elektronen erdoorheen ploegen dan wordt geproduceerd door het Cherenkov-effect, waardoor de kans op het detecteren van neutrinoloos dubbel bètaverval wordt vergroot. Het doel van het Advanced Instrumentation Testbed, in het bijzonder fase 2, is om een ​​combinatie van Cherenkov-detectie en -scintillatie te testen voor de volgende generatie neutrino-detector, Theïa.

"Met Theia, we willen de voordelen combineren van een doelmedium dat veel licht produceert, zoals scintillatie, met een medium waarin we ook het Cherenkov-licht kunnen zien - het gerichte licht, ' zei Orebi Gann. 'Samen, ze zullen je een richting geven, laagdrempelige detector die een fantastische signaal-naar-achtergrond discriminatie produceert voor een breed scala aan neutrino-fysica, evenals spannende onderwerpen zoals protonverval."

Hoewel de focus van Watchman op non-proliferatie ligt, het zou ook in staat zijn om antineutrino-uitbarstingen van supernova's te detecteren, en misschien neutrino's geproduceerd in de aarde zelf, zogenaamde geoneutrino's.

"Wachter, en meer in het algemeen de AIT, voorbeelden geven van de krachtige synergie die kan worden behaald wanneer instrumenten die zijn ontwikkeld voor basiswetenschap worden toegepast in non-proliferatiecontexten, ' zei Bernstein.