Argon. Het is overal om ons heen. Het zit in de lucht die we inademen, gloeilampen waar we bij lezen en plasmabollen waar velen van ons als kinderen mee speelden.

In vloeibare vorm, argon is ook een goedkoop en effectief doelwit voor neutrino-fysica-experimenten. Op 21 februari wetenschappers van Fermilab begonnen ICARUS - de grootste deeltjesdetector in het Short-Baseline Neutrino-programma van het laboratorium - af te koelen en te vullen met 760 ton vloeibaar argon, ICARUS dichter bij operatie brengen en de zoektocht naar een vierde type neutrino.

"Het Short-Baseline Neutrino-programma is verbazingwekkend omdat het eindelijk langdurige afwijkende resultaten in neutrino-metingen zal oplossen, " zei Robert Wilson, plaatsvervangend woordvoerder van ICARUS en hoogleraar natuurkunde aan de Colorado State University.

"Neutrino's zijn een fundamenteel en overvloedig onderdeel van ons universum:we weten nog steeds te weinig over hen, en dit houdt me erg geïnteresseerd om door te gaan met zoeken naar hun eigendommen, " voegde Carlo Rubbia toe, Nobelprijswinnaar en ICARUS-woordvoerder.

Ruim 20 jaar geleden, wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory vonden meer elektronen-antineutrino's dan ze hadden verwacht in hun resultaten van de Liquid Scintillator Neutrino Detector. In een vervolgexperiment meer dan 10 jaar later, wetenschappers van het MiniBooNE-experiment bij Fermilab observeerden een vergelijkbare inconsistentie en ontdekten een nieuwe anomalie in hun neutrinogegevens.

Wetenschappers vragen zich af of dit meer dan toeval was.

Een vierde type neutrino

Het is algemeen bekend dat de drie bekende neutrinotypes – elektron, muon en tau - oscilleren, of veranderen, in elkaar. Om deze trillingen en hoe ze gebeuren te bestuderen, wetenschappers hebben neutrino's nodig om met iets te interageren. Voor ICARUS, die stof is vloeibaar argon.

In het ICARUS-experiment, een muon-type neutrinostraal zal interageren met vloeibaar argon en zou, in theorie, produceren voornamelijk geladen deeltjes die muonen worden genoemd. (Een neutrinostraal van het elektronentype zou voornamelijk elektronen moeten produceren.) Maar gezien de resultaten van de Liquid Scintillator Neutrino Detector en MiniBooNE, dit is slechts een deel van het verhaal, en ICARUS is van plan de leemten op te vullen.

"Wat als de neutrino's oscilleren in een neutrino dat helemaal geen interactie heeft, niet eens een beetje zoals andere neutrino's doen?' zei Wilson. 'Dit is geen natuurlijke uitbreiding van de neutrino-theorie, maar het zou de LSND- en MiniBooNE-resultaten kunnen verklaren."

Zo'n vierde type neutrino, in tegenstelling tot de anderen, zou niet veranderen in een complementair geladen deeltje bij interactie in een detector. In feite, het zou helemaal geen interactie hebben. Door de kwantummechanica, echter, dit zogenaamde steriele neutrino zou nog steeds tussen neutrinotypes kunnen oscilleren en het oscillatiepatroon dat ICARUS zal waarnemen, veranderen.

De ontdekking van een steriel neutrino zou het standaardmodel van subatomaire deeltjes op zijn kop zetten en ons begrip van hoe het universum is geëvolueerd, beïnvloeden.

Van vulling tot balk

de optimale locatie van ICARUS, grootte en detectormateriaal maken het uniek gevoelig voor het detecteren van neutrino's die dit oscillatie-effect zouden vertonen. Als ICARUS-wetenschappers meer elektronenneutrino's in hun muon-type neutrinobundel vinden dan verwacht, ze zouden eindelijk concreet bewijs hebben van steriele neutrino's.

De metingen van ICARUS zullen ook informeren hoe neutrino-experimenten met een lange basislijn gegevens verzamelen en analyseren. Bijvoorbeeld, de ervaring van wetenschappers met ICARUS zal de veel grotere, internationaal diep ondergronds neutrino-experiment, georganiseerd door Fermilab. De vloeistof-argondetectietechnologie van ICARUS zal worden aangepast voor DUNE, die 70 zal gebruiken, 000 ton vloeibaar argon om de drie bekende neutrinotypes te bestuderen en hoe ze van de ene naar de andere veranderen.

"ICARUS heeft een lange weg afgelegd sinds de conceptie en het verzamelen van gegevens in het Gran Sasso-laboratorium in Italië en nadert nu een nieuwe fase van gegevensverzameling hier bij Fermilab. Ik ben verheugd om het enthousiasme te zien van een jongere generatie wetenschappers die nu bij werk aan dit experiment, ' zei Rubbia.

Het duurt ongeveer acht weken om ICARUS met vloeibaar argon te vullen. Zodra de detector gevuld is, wetenschappers zullen de stabiliteit en de zuiverheid van het argon controleren. Vervolgens, ze zullen voor het eerst de stroom inschakelen sinds ICARUS zijn weg vond naar Fermilab over de Atlantische Oceaan. Ze verwachten later dit jaar de eerste deeltjessporen te zien.