Neutrino's, spookachtige fundamentele deeltjes die moeilijk te bestuderen zijn, zou wetenschappers aanwijzingen kunnen geven over de evolutie van het heelal.

Ze zijn zo moeilijk te vangen, in feite, dat het mogelijk is dat er een vierde type is dat zich al tientallen jaren recht onder onze neus verbergt.

Wetenschappers van het aan UChicago gelieerde Fermi National Accelerator Laboratory, plaats van het meest uitgebreide neutrino-onderzoek ter wereld, leiden een internationale samenwerking om de mogelijkheid van een volledig nieuw deeltje te onderzoeken. Hoewel er drie soorten neutrino bekend zijn, wetenschappers zoeken naar een mogelijke vierde:het steriele neutrino, wiens bestaan ​​is geplaagd maar nooit duidelijk bevestigd.

Belangrijke componenten voor het nieuwe neutrino-experiment komen van over de hele wereld om te worden geïntegreerd in de aanstaande Short-Baseline Near Detector, of SBND, bij Fermilab.

"Het korte-baseline-programma heeft tot doel interessante resultaten van eerdere experimenten aan te pakken die zouden kunnen wijzen op een nieuwe klasse neutrino's, die een geheel nieuwe, onverwacht gebied in de neutrinofysica, " zei David Schmitz, SBND medewoordvoerder en assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Chicago. "Maar wat we ook vinden, de resultaten moeten ons duidelijkheid geven over deze al lang bestaande puzzel."

Bij Fermilab, ongeveer 45 mijl ten westen van Chicago, drie detectoren zitten langs een bundel neutrino's die worden gegenereerd door de deeltjesversnellers van Fermilab. Van de drie, de nieuwe detector zal het dichtst bij de straalbron zitten, op slechts 360 meter afstand. (De andere TWEE, MicroBooNE en ICARUS, zijn 1, 500 voet en 2, 000 voet van de bron, respectievelijk.)

"De reden dat je drie detectoren hebt, is dat je de neutrinobundel langs de bundellijn op verschillende afstanden wilt bemonsteren, " zei Fermilab-neutrino-wetenschapper Ornella Palamara, de andere woordvoerder van het project.

Terwijl neutrino's door de ene detector na de andere gaan, sommigen van hen laten sporen achter in de detectoren. Wetenschappers zullen deze informatie analyseren om vast bewijs te zoeken van het veronderstelde maar nooit geziene lid van de neutrino-familie.

Een (ver)verschijning maken

Neutrino's komen in een van de drie "smaken":elektron, muon en tau. Ze veranderen van de ene smaak in de andere terwijl ze door de ruimte reizen, wat oscillatie wordt genoemd. Van neutrino's is bekend dat ze in en uit de drie smaken oscilleren, maar alleen verder bewijs zal wetenschappers helpen bepalen of ze ook oscilleren in een vierde type - een steriel neutrino.

Als deze steriele neutrino's bestaan, ze hebben helemaal geen interactie met materie. (De neutrino's waarmee we bekend zijn, interageren, maar slechts zelden.) Resultaten van andere experimenten hebben gesuggereerd op de mogelijkheid van het bestaan ​​van het steriele neutrino, maar tot nu toe, niemand heeft het bevestigd.

SBND, als de eerste detector in de bundel, zal het aantal elektronen- en muon-neutrino's registreren dat er doorheen gaat voordat oscillatie kan optreden. De overgrote meerderheid van hen - ongeveer 99,5 procent - zullen muon-neutrino's zijn. Tegen de tijd van hun aankomst bij de verre detectoren, MicroBooNE en ICARUS, een paar op de duizend muon-neutrino's zijn mogelijk omgezet in elektronenneutrino's.

Twee mogelijke uitkomsten zouden kunnen wijzen op het bestaan ​​van het nieuwe deeltje.

Een daarvan is dat de verre detectoren meer elektronenneutrino's zien dan verwacht. Dit zou een bewijs kunnen zijn dat steriele neutrino's ook aanwezig zijn:de neutrino's zouden kunnen worden omgezet in en uit steriele neutrino-toestanden op een manier die een overmaat aan elektronenneutrino's produceert. De andere is dat de verre detectoren minder muon-neutrino's zien dan verwacht - de muon-neutrino's die in SBND zijn gespot "verdwijnen" - omdat ze zijn omgezet in steriele neutrino's.

"Het hebben van een enkel experiment waarbij we het verschijnen van elektronenneutrino's en het verdwijnen van muon-neutrino's tegelijkertijd kunnen zien en ervoor kunnen zorgen dat hun magnitudes compatibel zijn met elkaar, is enorm krachtig om te proberen steriele neutrino-oscillaties te ontdekken, "zei Schmitz. "De nabije detector verbetert ons vermogen om dit te doen aanzienlijk."

Componenten uit drie continenten

De eerste van vier anodevlakassemblages, hoogst gevoelige elektronische componenten, kwam in oktober naar Fermilab. Er zijn er meer onderweg.

De samenstellingen van het anodevlak, vier in totaal, maken deel uit van een detector van 4 bij 4 bij 5 meter die zal worden opgehangen in een cryogene tank gevuld met vloeibaar argon bij -300 graden Fahrenheit. Elke assemblage is een enorm frame bedekt met duizenden delicate zindraden, ontworpen om deeltjes te volgen die afkomstig zijn van neutrino's die botsen met argonatomen in de tank.

SBND zal ook een proeftuin zijn voor sommige van de technologieën, inclusief de anodevlakassemblages, dat zal worden gebruikt in het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, bekend als DUIN, een megawetenschappelijk experiment georganiseerd door Fermilab dat momenteel in aanbouw is in South Dakota.

instellingen in Europa, Zuid-Amerika en de Verenigde Staten helpen bij het bouwen van de verschillende componenten van SBND. In alles, meer dan 20 instellingen op drie continenten zijn bij de inspanning betrokken. Nog een dozijn werken samen aan softwaretools om gegevens te analyseren zodra de detector operationeel is, zei Schmitz.

"Het is geweldig om deel uit te maken van een internationale samenwerking, " zei Palamara. "Natuurlijk, er zijn uitdagingen, maar het is fantastisch om mensen van over de hele wereld te zien komen om aan het programma te werken. Het is spannend om stukjes van de detector op verschillende plaatsen te laten bouwen en dan alles samen te zien komen."

De montage van SBND zal naar verwachting in de herfst van 2019 worden afgerond, waarna de detector in zijn gebouw zal worden geïnstalleerd langs de door de versneller gegenereerde neutrinostraal. Het is de bedoeling dat SBND eind 2020 neutrino's gaat ontvangen.