Het COHERENT-deeltjesfysica-experiment in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft het bestaan ​​​​van een nieuw soort neutrino-interactie stevig bevestigd. Omdat neutrino's elektrisch neutraal zijn en slechts zwak interageren met materie, de zoektocht om deze interactie te observeren zorgde voor vooruitgang in detectortechnologie en heeft nieuwe informatie toegevoegd aan theorieën die de mysteries van de kosmos willen verklaren.

"Het neutrino wordt beschouwd als de kern van veel open vragen over de aard van het universum, " zei professor natuurkunde van de Indiana University, Rex Tayloe. Hij leidde de installatie, werking en data-analyse van een cryogene vloeibare argondetector voor neutrino's bij de Spallation Neutron Source, of SNS, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.

De studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , waargenomen dat laagenergetische neutrino's interageren met een argonkern door de zwakke kernkracht in een proces dat coherente elastische neutrino-nucleusverstrooiing wordt genoemd, of CEvNS, die wordt uitgesproken als "zeven". Als een pingpongbal die een softbal bombardeert, een neutrino dat een kern raakt, brengt slechts een kleine hoeveelheid energie over naar de veel grotere kern, die bijna onmerkbaar terugdeinst als reactie op de kleine aanval.

De basis leggen voor de ontdekking met de argonkern was een studie uit 2017, gepubliceerd in Wetenschap waarin COHERENT-medewerkers 's werelds kleinste neutrinodetector gebruikten om het eerste bewijs te leveren van het CEvNS-proces toen neutrino's interageerden met grotere en zwaardere cesium- en jodidekernen. Hun terugslagen waren nog kleiner, zoals bowlingballen die reageren op pingpongballen.

"Het standaardmodel van deeltjesfysica voorspelt coherente elastische verstrooiing van neutrino's van kernen, " zei Kate Scholberg, natuurkundige aan de Duke University, woordvoerder en organisator van wetenschappelijke en technologische doelen voor COHERENT. De samenwerking heeft 80 deelnemers uit 19 instellingen en vier landen. "Het zien van de neutrino-interactie met argon, de lichtste kern waarvoor het is gemeten, bevestigt de eerdere waarneming van zwaardere kernen. Het meten van het proces legt precies beperkingen op aan alternatieve theoretische modellen."

Joeri Efremenko, een natuurkundige aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville, en ORNL die de ontwikkeling van gevoeligere fotodetectoren leidden, zei, "Argon biedt een soort 'deur'. Het CEvNS-proces is als een gebouw waarvan we weten dat het zou moeten bestaan. De eerste meting van natrium en jodide was een deur waardoor we het gebouw konden verkennen. We hebben nu dit andere argon geopend deur." De argongegevens zijn consistent met het standaardmodel binnen foutbalken. Echter, verhoogde precisie mogelijk gemaakt door grotere detectoren kan wetenschappers iets nieuws laten zien. "Iets onverwachts zien zou zijn als het openen van de deur en het zien van fantastische schatten, ', voegde Efremenko eraan toe.

"We zijn op zoek naar manieren om het standaardmodel te doorbreken. We houden van het standaardmodel; het is echt succesvol geweest. Maar er zijn dingen die het gewoon niet verklaart, " zei natuurkundige Jason Newby, ORNL's voorsprong voor COHERENT. "We vermoeden dat op deze kleine plaatsen waar het model kapot zou kunnen gaan, antwoorden op grote vragen over de aard van het heelal, antimaterie en donkere materie, bijvoorbeeld, kon op de loer liggen."

Het COHERENT-team gebruikt 's werelds helderste gepulseerde neutronenbron bij SNS om de antwoorden te helpen vinden. De neutronen die SNS voor onderzoek produceert, creëren neutrino's als bijproduct. Een dienstcorridor onder het SNS-kwikdoel is omgebouwd tot een speciaal neutrino-laboratorium, genaamd Neutrino Alley, onder leiding van Newby en Efremenko. Een 53 pond, of 24 kilogram, detector genaamd CENNS-10 zit 90 voet, of 27,5 meter, van een energiezuinige neutrinobron die de mogelijkheden optimaliseert om samenhangende interacties te ontdekken. Dit betekent dat naderende neutrino's de zwakke kracht van de kern als geheel zien, leidt tot een groter effect in vergelijking met niet-coherente interacties.

Grotere detectoren zijn beter in het uitvoeren van zeer nauwkeurige metingen, en de CENNS-10-detectortechnologie is eenvoudig op te schalen door simpelweg meer vloeibaar argon toe te voegen.

De CENNS-10-detector werd oorspronkelijk gebouwd bij Fermilab door COHERENT-medewerker Jonghee Yoo. Hij en Tayloe brachten het naar IU en bewerkten het daar voordat het in 2016 bij SNS werd geïnstalleerd. Newby en Efremenko hadden de SNS-site voorbereid met afscherming van gelaagd lood, koper en water om neutronenachtergronden te elimineren.

Nadat de eerste metingen aangaven dat het experiment niet zou worden gedomineerd door achtergrond, Op de fotodetectoren en binnenreflectoren werden golflengteverschuivende coatings aangebracht die de lichtverzameling aanzienlijk verbeterden. De detector is gekalibreerd door krypton-83m in het vloeibare argon te injecteren om het aantal aanwezige fotonen te kunnen berekenen.

De gepubliceerde resultaten gebruikten 18 maanden aan gegevens verzameld van CENNS-10. Analyse van de gegevens onthulde 159 CEvNS-gebeurtenissen, consistent met de voorspelling van het standaardmodel.

De gegevens van COHERENT zullen onderzoekers wereldwijd helpen hun neutrino-metingen te interpreteren en hun theorieën over mogelijke nieuwe fysica te testen. De berekenbare vingerafdruk van neutrino-nucleus-interacties voorspeld door het standaardmodel en gezien door COHERENT heeft praktische toepassingen, te. "Dit is een manier om de verdeling van neutronen in kernen en de dichtheid van neutronensterren te meten, "Zei Efremenko. "Het is een bijdrage aan de kernfysica en astrofysica omdat de processen erg op elkaar lijken."

Voor uitgebreide neutrino-onderzoeken zijn verschillende soorten detectoren nodig. Om het doel van het observeren van CEvNS op verschillende kernen te bevorderen, een detector van 16 kilogram op basis van germaniumkernen, die groter zijn dan argon maar kleiner dan cesium en jodide, zal volgend jaar in Neutrino Alley worden geïnstalleerd. Een reeks natriumjodidedetectoren is geïnstalleerd als aanvulling op de cesiumjodidedetector die daar sinds 2017 in bedrijf is.

In de tussentijd, gegevensverzameling gaat 24/7 door ondanks COVID-19 omdat COHERENTE medewerkers hun vloeibare argondetector op afstand bewaken. Ze streven ernaar om het te vergroten tot ton-schaal om 25 keer zoveel gebeurtenissen per jaar te zien en observatie van gedetailleerde energiespectra mogelijk te maken die handtekeningen van de nieuwe fysica zouden kunnen onthullen, inclusief het bestaan ​​van steriele neutrino's die geen zwakke interactie hebben en, daarom, zou geen coherente interactie aantonen.

Eventueel, ze willen er nog een nog grotere 10 ton aan toevoegen, vloeistof-argondetector op het tweede doelstation van SNS. "We pushen de technologie zodat, in de toekomst, we zullen in staat zijn om vragen te beantwoorden die meer precisie vereisen, ' zei Newby.