PROSPECT-detektorn kommer att bestå av en 11 x 14 array av långa smala celler fyllda med vätskescintillator, som är utformad för att känna av antineutriner som kommer från reaktorhärden. Om det finns en steril neutrinosmak, då kommer PROSPECT att se vågor av antineutrinos som dyker upp och försvinner med en period som bestäms av deras energi. Kompositionen är inte skalenlig. De enskilda cellerna själva (överst till höger) är fyllda med en okonventionell vätskeblandning delvis utvecklad av NIST. Förutom att innehålla en kommersiellt tillgänglig glittrande lösning som förvandlar träffar till ljus, vätskan är dopad med litiumjoner, som gör det möjligt för forskare att fånga antineutrino-signalerna i en detektor av relativt liten storlek. Kredit:Sean Kelley/NIST
Nyligen, neutriner – de små, nästan masslösa partiklar som många forskare studerar för att bättre förstå universums grundläggande funktion – har utgjort ett problem för fysiker.
De vet att dessa partiklar produceras i enorma mängder av kärnreaktioner som de som äger rum i vår sol. De vet också att neutriner inte interagerar särskilt ofta med materia; miljarder av dem passerade genom din hand under den tid det tog dig att läsa den här meningen.
Men i en mängd experiment runt om i världen, forskare finner ett underskott i antalet neutriner de ser jämfört med vad de förväntar sig att se, baserat på teori. Och detta har ingenting att göra med växlingen fram och tillbaka mellan de tre smakerna av neutrino som fysiker också redan känner till.
En möjlig förklaring är att det finns en fjärde sorts neutrino som inte har upptäckts. Det kallas en steril neutrino. Och NIST-forskare kommer att börja leta efter det nästa år som en del av Precision Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT), ett samarbete som involverar 68 forskare och ingenjörer från 10 universitet och fyra nationella laboratorier.
"Detta är potentiellt ett upptäcktsexperiment, " säger NISTs Pieter Mumm, som är medgrundare och medtalesman för projektet, tillsammans med Karsten Heeger vid Yale University och Nathaniel Bowden vid Lawrence Livermore National Laboratory. Att upptäcka en ny partikel skulle vara "superspännande, " han fortsätter, eftersom en ny typ av neutrino inte är en del av standardmodellen för fysik, den väl genomarbetade förklaringen till universum som vi känner det.
För att hitta den nya partikeln eller definitivt motbevisa dess existens, PROSPECT-samarbetet förbereder sig för att bygga en första detektor i sitt slag för neutrinoexperiment på kort räckvidd, använda en kärnreaktor som neutrinokälla.
Först, en elektron antineutrino (v̄e) interagerar med en proton (p) i vätskescintillatorn som fyller varje cell i detektorn, skapa en positron (e+) och en neutron (n). Nästa, neutronen vandrar runt i vätskan och fångas sedan av litiumjoner i vätskan, producerar två tunga partiklar:en tritium (3H) och en alfa (α). Höger:Signaturen att en elektron-antineutrino "fångades" är därför en dubbel ljusskur:en stor från positronen, följt tiotals mikrosekunder senare av en något mindre från de två tunga partiklarna. Kredit:Sean Kelley/NIST
Arbetet kunde inte bara kasta ljus över ny fysik, men det skulle också kunna ge forskare ett nytt verktyg för att övervaka och skydda kärnreaktorer.
PROSPEKTERAR på Neutrinos
Till skillnad från andra neutrinoexperiment, som vanligtvis tittar på svängningarna mellan de tre kända smakerna över avstånd på kilometer eller hundratals kilometer, PROSPECT kommer att titta på neutrinoscillationer över bara några meter, utrymmet i ett litet rum. Avståndet är för kort för att se svängningar mellan de kända smakerna. Men det är exakt rätt skala för de hypotesiska sterila neutrinoscillationerna.
Denna inställning "ger dig en signatur som är absolut järnklädd, " säger mamma. "Om du ser den variationen, den karakteristiska svängningen, det finns bara en förklaring till det. Det måste vara sterila neutriner."
Själva detektorn kommer att vara cirka 4,5 meter i kub och kommer att bestå av en 11 gånger 14 rad långa smala "celler" staplade på varandra [se diagram], med en förväntad rumslig upplösning på cirka 10 kubikcentimeter. Som dess källa för neutriner, PROSPECT kommer att använda High Flux Isotope Reactor vid Oak Ridge Laboratory i Tennessee. Experimentet kommer att placeras så nära själva reaktorhärden som möjligt – bara 7 meter bort.
PROSPECT kommer inte att se de sterila neutrinerna direkt. Snarare, den kommer att upptäcka en speciell sorts neutrino som regelbundet produceras i kärnreaktorer:antineutrino av elektrontyp.
Ett par prototypceller under uppbyggnad i ett rent rum. Kredit:Med tillstånd från PROSPECT-samarbetet
För att identifiera en elektron antineutrino, forskarna kommer att leta efter en viss signal i ljus. Varje cell i detektorn är fylld med ett scintillerande material. Det betyder att energi omvandlas till ljus, som förstärks och plockas upp av ett par fotomultiplikatorrör på varje cell.
När en neutrino träffar en proton i vätskan som fyller cellerna, det skapar nya partiklar som avsätter energi i detektorn. Dessa dotterpartiklar bildar en signatur som talar om för forskarna att en neutrino en gång var där (se diagrammet ovan).
"Vad vi faktiskt känner av är ljuset som sänds ut av vätskescintillatorn, " säger Mumm. Signalen som de letar efter är "något som ser ut som en positron, följs vid lämplig tidpunkt [tiotals mikrosekunder, eller miljondelar av en sekund] av något som ser ut som en neutroninfångning."
Nästa steg
Än så länge, samarbetet har skapat en serie prototyper, inklusive ett par celler byggda för att skala, och kör simuleringar för att validera de modeller de använder för att separera signalen från de höga bakgrunder de förväntar sig. Tack vare bidrag från det amerikanska energidepartementet och Heising-Simons Foundation i somras, de har börjat fysiskt bygga detektorn.
PROSPECT bör svara på frågan om det finns sterila neutriner eller inte inom tre år, säger mamma. Under tiden, samarbetets arbete har några potentiellt spelförändrande spin-offs för reaktorfysik. Till exempel, forskare skulle potentiellt kunna använda denna teknik för att konstruera en enhet för att övervaka reaktordriften på distans.
"Du kan föreställa dig, det verkar åtminstone för mig, att detta kan vara ett ganska kraftfullt verktyg under rätt omständigheter, " Säger mamma. "Du kan inte skydda neutrinos. Det finns inget sätt att förfalska det."
