KOHERENTa partikelfysiksexperimentet vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fast etablerat existensen av en ny typ av neutrino -interaktion. Eftersom neutrinoer är elektriskt neutrala och endast interagerar svagt med materia, jakten på att observera denna interaktion drev framsteg inom detektorteknik och har lagt till ny information till teorier som syftar till att förklara kosmos mysterier.

"Neutrino tros vara kärnan i många öppna frågor om universums natur, "sa Indiana University fysikprofessor Rex Tayloe. Han ledde installationen, drift och dataanalys av en kryogen flytande argondetektor för neutrinoer vid Spallation Neutron Source, eller SNS, en DOE Office of Science User Facility på ORNL.

Studien, publicerad i Fysiska granskningsbrev , observerade att lågenerginutrinoer interagerar med en argonkärna genom den svaga kärnkraften i en process som kallas koherent elastisk neutrino-kärnspridning, eller CEvNS, som uttalas "sjuor". Som en pingisboll som bombarderar en softball, en neutrino som träffar en kärna överför endast en liten mängd energi till den mycket större kärnan, som återkallar nästan omärkligt som svar på det lilla överfallet.

Att lägga grunden för upptäckten gjord med argonkärnan var en studie från 2017 som publicerades i Vetenskap där KOHERENTA medarbetare använde världens minsta neutrino -detektor för att tillhandahålla det första beviset på CEvNS -processen när neutrinos interagerade med större och tyngre cesium- och jodidkärnor. Deras rekyl var ännu tunnare, som bowlingbollar som reagerar på pingisbollar.

"Standardmodellen för partikelfysik förutspår koherent elastisk spridning av neutrinoer från kärnor, "sa Duke University -fysikern Kate Scholberg, talesman och organisatör för vetenskapliga och tekniska mål för SAMHÄLLANDE. Samarbetet har 80 deltagare från 19 institutioner och fyra länder. "Att se neutrino -interaktionen med argon, den lättaste kärnan för vilken den har mätts, bekräftar den tidigare observationen från tyngre kärnor. Att mäta processen skapar exakt begränsningar för alternativa teoretiska modeller. "

Yuri Efremenko, en fysiker vid University of Tennessee, Knoxville, och ORNL som ledde utvecklingen av känsligare fotodetektorer, sa, "Argon ger en slags" dörr ". CEvNS -processen är som en byggnad som vi vet borde finnas. Den första mätningen på natrium och jodid var en dörr som släppte in oss för att utforska byggnaden. Vi har nu öppnat denna andra argon dörr." Argondata överensstämmer med standardmodellen inom felstaplar. Dock, ökad precision möjliggörs av större detektorer kan låta forskare se något nytt. "Att se något oväntat skulle vara som att öppna dörren och se fantastiska skatter, "Tillade Efremenko.

"Vi letar efter sätt att bryta standardmodellen. Vi älskar standardmodellen; det har varit riktigt framgångsrikt. Men det finns saker som det inte förklarar, sa fysikern Jason Newby, ORNL:s ledning för COHERENT. "Vi misstänker att på dessa små platser där modellen kan gå sönder, svar på stora frågor om universums natur, antimateria och mörk materia, till exempel, kunde ligga och vänta. "

COHERENT -teamet använder världens ljusaste pulserade neutronkälla på SNS för att hitta svaren. De neutroner som SNS producerar för forskning skapar neutrinoer som en biprodukt. En servicekorridor under SNS -kvicksilvermålet har omvandlats till ett särskilt neutrinolaboratorium, kallad Neutrino Alley, under ledning av Newby och Efremenko. En 53-pund, eller 24 kilo, detektorn kallad CENNS-10 sitter 90 fot, eller 27,5 meter, från en lågenergi-neutrinkälla som optimerar möjligheterna att upptäcka interaktioner som är sammanhängande. Detta innebär att närmar sig neutriner ser kärnans svaga kraft som helhet, vilket leder till en större effekt jämfört med icke-koherenta interaktioner.

Större detektorer är bättre på att göra högprecisionsmätningar, och CENNS-10 detektortekniken är lätt att skala upp genom att bara lägga till mer flytande argon.

CENNS-10-detektorn byggdes ursprungligen på Fermilab av COHERENT-medarbetaren Jonghee Yoo. Han och Tayloe tog det till IU och omarbetade det där innan det installerades på SNS 2016. Newby och Efremenko hade förberett SNS -sajten med avskärmning av skiktat bly, koppar och vatten för att eliminera neutronbakgrunder.

Efter att de första mätningarna visat att experimentet inte skulle domineras av bakgrund, våglängdsförskjutande beläggningar applicerades på fotodetektorerna och inre reflektorer som signifikant förbättrade ljusinsamlingen. Detektorn kalibrerades genom att injicera krypton-83m i den flytande argonen för att möjliggöra beräkning av antalet närvarande foton.

De publicerade resultaten använde 18 månaders data som samlats in från CENNS-10. Analys av data avslöjade 159 CEvNS -händelser, överensstämmer med standardmodellprognosen.

COHERENTs data hjälper forskare världen över att tolka sina neutrino -mätningar och testa deras teorier om möjlig ny fysik. Det beräkningsbara fingeravtrycket för neutrino-kärninteraktioner som förutses av standardmodellen och ses av COHERENT har praktiska tillämpningar, för. "Detta är ett sätt att mäta fördelningen av neutroner inuti kärnor och densiteten hos neutronstjärnor, "Efremenko sa." Det är ett bidrag till kärnfysik och astrofysik eftersom processerna är väldigt lika. "

Olika typer av detektorer är nödvändiga för omfattande neutrino -studier. För att främja målet att observera CEvNS på en mängd olika kärnor, en 16-kilos detektor baserad på germaniumkärnor, som är större än argon men mindre än cesium och jodid, kommer att installeras i Neutrino Alley nästa år. En rad natriumjodiddetektorer har installerats för att förstärka cesiumjodiddetektorn som är i drift där sedan 2017.

Under tiden, datainsamling fortsätter dygnet runt trots COVID-19 eftersom SAMHÄLLA samarbetspartners övervakar sin flytande argondetektor på distans. De strävar efter att förstora den till ton-skala för att se 25 gånger så många händelser årligen och möjliggöra observation av detaljerade energispektra som kan avslöja signaturer av den nya fysiken, inklusive förekomsten av sterila neutrinoer som inte har någon svag interaktion och, därför, skulle inte visa en sammanhängande interaktion.

Så småningom, de skulle vilja lägga till ett ännu större 10-ton, vätske-argondetektor vid SNS:s andra målstation. "Vi driver på tekniken så att, i framtiden, vi kommer att kunna svara på frågor som kräver större precision, "Sa Newby.