Neutrino's en antineutrino's zijn vrijwel massaloze deeltjes die worden geproduceerd bij veel kernreacties, waaronder de splijting van uranium in kerncentrales op aarde en de fusiereacties in de kern van de zon.

Maar ze zijn duivels moeilijk te detecteren – de meeste passeren de aarde zonder te stoppen – waardoor het moeilijk wordt om de kernreacties te bestuderen die plaatsvinden in de kern van sterren of bij stellaire explosies, of om kerncentrales te controleren op illegale productie van bommateriaal.

Een nieuw type neutrinodetector dat nu wordt getest in een groot ondergronds laboratorium aan de Universiteit van Californië, Berkeley, is ontworpen om gebruik te maken van de nieuwste technologieën om de gevoeligheid en mogelijkheden van antineutrinodetectoren te verbeteren. Dergelijke verbeterde detectoren zouden niet alleen helpen bij het detecteren, lokaliseren en karakteriseren van niet-aangegeven speciaal nucleair materiaal dat in strijd is met federale of internationale regelgeving, maar zouden ook wetenschappers helpen de fundamentele fysica van deeltjes en hun interacties diep in de kern van het atoom te onderzoeken.

Het apparaat, genaamd Eos, naar de Titan-godin van de dageraad, luidt "het aanbreken van een nieuw tijdperk van neutrinodetectietechnologie", aldus Gabriel Orebi Gann, universitair hoofddocent natuurkunde aan de UC Berkeley en leider van de Eos-samenwerking.

De prototypedetector kan nucleaire activiteiten en materialen op afstand detecteren en karakteriseren, dat wil zeggen op afstanden groter dan ongeveer 100 meter. Hoewel radioactiviteit uit nucleair materiaal tegen detectie kan worden beschermd, kunnen antineutrino's die bij splijtingsreacties worden geproduceerd dat niet. Omdat er elke nanoseconde miljarden worden geproduceerd in een reactor, zou Eos in staat moeten zijn voldoende antineutrino's te detecteren om de clandestiene productie van materiaal van bomkwaliteit te identificeren.

"Het idee van neutrinodetectie is dat je het niet kunt vervalsen, je kunt het niet afschermen, je kunt het niet nabootsen. Neutrino's reizen met bijna de snelheid van het licht, dus ze bieden vrijwel onmiddellijke detectie, zelfs op afstand. Ze bieden een unieke signatuur van nucleaire activiteit”, zegt Orebi Gann, die ook faculteitswetenschapper is aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Als je ver weg bent of een heel zwakke signatuur hebt, dan heb je een grote detector nodig. En voor een grote detector heb je vloeistof nodig."

Eos is een 10 meter hoge en 5 meter brede cilinder gevuld met water en een organische scintillator en omgeven door lichtdetectoren die drie keer gevoeliger zijn dan die welke tegenwoordig in natuurkundige experimenten worden gebruikt. De verbeterde gevoeligheid en hogere resolutie van Eos zijn het resultaat van de combinatie van twee van de beste technieken van dit moment voor het detecteren van neutrino's:scintillatie en Tsjerenkov-emissie.

De verbeteringen zouden een game-changer kunnen zijn voor toekomstige projecten op het gebied van de neutrinofysica, zoals het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) dat nu wordt gebouwd in een verlaten goudmijn in Lead, South Dakota, om neutrino’s te detecteren die worden uitgezonden door een deeltjesversneller van het Fermi National Laboratory. , 500 mijl verderop in Illinois. UC Berkeley en Berkeley Lab zijn lid van de DUNE-samenwerking.

"Wat we uiteindelijk zouden willen bouwen is een veel grotere detector genaamd Theia", zei ze. "Theia is de Titan-godin van het licht en de moeder van Eos in het pantheon van de goden. De ideale locatie voor Theia is in die mijn in South Dakota, waar hij die neutrino's uit Fermilab ziet."

Het valt nog te bezien of Theia – die een tank zou gebruiken die groot genoeg is om het Vrijheidsbeeld bijna te verzwelgen – een van de vier geplande vloeibare argon-detectoren van DUNE zal vervangen.

Orebi Gann stelt dat een hybride detector als Theia, hoewel deze een vergelijkbare gevoeligheid biedt voor het bestuderen van de hoogenergetische straal van neutrino's die het primaire doelwit is van DUNE, nieuwe mogelijkheden zou toevoegen naast een argondetector, waaronder de mogelijkheid om antineutrino's te detecteren. Theia zou ook een richtnauwkeurigheid van 2 graden hebben voor de locatie van een supernova via de neutrino-uitbarsting en zou het vermogen hebben om te zoeken naar energiezuinige zonne-neutrino's en Majorana-neutrino's.

Een hybride neutrinodetector

Eos is uniek omdat het een hybride is van de twee belangrijkste soorten vloeibare neutrinodetectoren, die beide beginnen met een tank met vloeistof.

Eén techniek is gebaseerd op een scintillator (in dit geval lineair alkylbenzeen) die licht uitzendt als reactie op de geladen deeltjes die worden geproduceerd tijdens interacties met een neutrino of antineutrino.

Neutrino's en antineutrino's kunnen ook interageren met andere materialen, zoals water, om een ​​elektron te produceren, dat vervolgens zijn eigen licht uitstraalt, hoewel veel zwakker dan scintillatielicht. Deze laatste wordt Cherenkov-straling genoemd en wordt uitgezonden wanneer het elektron sneller door de vloeistof ploegt dan de snelheid van het licht in de vloeistof, vergelijkbaar met de akoestische energie van een sonische knal die wordt geproduceerd door een vliegtuig dat sneller reist dan de snelheid van het geluid.

Bij beide technieken worden gevoelige lichtdetectoren, fotomultiplicatorbuizen genaamd, rond de tank opgesteld om de intensiteit van het zwakke licht vast te leggen. De intensiteit van de scintillatie geeft informatie over de energie van het neutrino of antineutrino.

Tsjerenkovstraling wordt echter uitgezonden in een kegel, zodat het informatie kan verschaffen over de richting waaruit het neutrino kwam, een cruciaal stukje informatie voor het bestuderen van zowel kernreactorbronnen als kosmische neutrinobronnen.

"Fotomultiplierbuizen zijn gevoelig voor lichtniveaus van afzonderlijke fotonen", zei Orebi Gann. ‘Maar een vloeistofscintillator geeft je veel meer licht:als je een elektron met dezelfde energie hebt, krijg je, afhankelijk van de scintillator, 50 keer meer licht dan de Tsjerenkov-emissie. Dat betekent dat je een betere nauwkeurigheid krijgt voor begrijpen waar de energie werd opgeslagen en hoeveel energie er was."

"We zeiden:oké, we willen niet kiezen. We houden niet van compromissen. We willen beide. En dat is hier het doel. We willen de topologie van Tsjerenkovlicht, maar de resolutie van scintillatie," zei ze. .

Het probleem is dat het licht van scintillatie zo helder is dat het het Cherenkov-licht overweldigt.

Gelukkig komt Tsjerenkov-licht naar buiten in een picoseconde-uitbarsting, terwijl scintillatielicht nanoseconden blijft hangen.

"Als je zeer snelle fotonendetectoren hebt, kun je het tijdsverschil gebruiken om die twee handtekeningen te helpen scheiden", zei ze. Eos zal de vloeistoftank omringen met 242 fotomultiplicatorbuizen van de Japanse firma Hamamatsu, die drie keer sneller zijn dan de huidige fotomultiplicatoren.

Het zichtbare gebied van Tsjerenkovlicht heeft een roder kleurenspectrum dan scintillatielicht, dat meestal blauw is. Het team profiteert hiervan door de eerste rij fotovermenigvuldigers te omringen met een 'dichroïsch' filter dat rood Cherenkov-licht in de fotovermenigvuldiger reflecteert, maar blauw scintillatielicht doorlaat naar fotovermenigvuldigers achterin.

"Je sorteert je fotonen eigenlijk op golflengte en stuurt ze naar verschillende fotondetectoren op basis van de golflengte", zei ze.

Orebi Gann en haar team begonnen in september met de montage van Eos, met zes weken vertraging door de vernietiging van de eerste stalen tank toen de vrachtwagen die de tank vervoerde in botsing kwam met een viaduct. De tanks zijn zo groot dat de onderzoekers het experiment moesten onderbrengen in een groot kelderlaboratorium – voorheen bewoond door een kernreactor – beheerd door het Department of Nuclear Engineering van UC Berkeley.

Ze omsingelden de acryltank met de fotomultiplicatorbuizen en tilden vervolgens het geheel in een cilindrische stalen tank. De interne acryltank en de opening tussen de acryl- en stalen tanks werden vervolgens gevuld met zuiver water, waarbij de fotomultiplicatorbuizen in de opening werden ondergedompeld.

Zodra het team het vermogen van Eos heeft getest om Cherenkov-licht uit kunstmatige radioactieve bronnen en natuurlijke, kosmische muonen te detecteren, zullen ze geleidelijk scintillatormateriaal toevoegen om het vermogen van het experiment om onderscheid te maken tussen de twee soorten lichtemissie te testen.

"We hebben onze detector ook zo ontworpen dat we pure vloeibare scintillator kunnen inzetten", zei Orebi Gann. "Dit zou de ultieme test zijn:of we de handtekening van Tsjerenkov nog steeds kunnen zien, zelfs met de maximale scintillatiecomponent."

De plannen vereisen dat wordt onderzocht hoe goed Eos kleine modulaire reactoren en nucleair aangedreven zeeschepen kan monitoren en de transparantie van testlocaties kan controleren.

Orebi Gann wil het Eos-ontwerp ook graag gebruiken in algemene neutrinofysicastudies, zoals het meten van de flux van neutrino's vanuit de kern van de zon om de voorspelde nucleaire reacties die deze aandrijven te verifiëren; onderzoek naar terrestrische bronnen van neutrino's; het in kaart brengen van de diffuse supernova-neutrino-achtergrond in de Melkweg en daarbuiten; en de voortdurende zoektocht naar neutrinoloos dubbel bèta-verval, wat erop zou wijzen dat een neutrino zijn eigen antideeltje is.

Al deze vragen worden al onderzocht met de scintillator- of Cherenkov-detectoren, maar Orebi Gann hoopt dat een hybride detector de vooruitgang zal versnellen.

"Dezelfde soort natuurkunde die elk van deze detectoren in het verleden heeft gedaan, zouden we beter kunnen doen", zei ze. "Dat is het doel. Het is R&D voor de volgende generatie."

Aangeboden door Universiteit van Californië - Berkeley