1974, en Fermilab-fysiker förutspådde ett nytt sätt för spöklika partiklar som kallas neutriner att interagera med materia. Mer än fyra decennier senare, ett UChicago-ledda team av fysiker byggde världens minsta neutrinodetektor för att observera den svårfångade interaktionen för första gången.

Neutrinos är en utmaning att studera eftersom deras interaktioner med materia är så sällsynta. Särskilt svårfångad har det som kallas koherent elastisk neutrinonärnspridning varit, som uppstår när en neutrino stöter av kärnan i en atom.

Det internationella COHERENT Collaboration, som inkluderar fysiker vid UChicago, upptäckte spridningsprocessen genom att använda en detektor som är liten och lätt nog för en forskare att bära. Deras fynd, som bekräftar teorin om Fermilabs Daniel Freedman, rapporterades 3 augusti i tidskriften Vetenskap .

"Varför tog det 43 år att observera denna interaktion?" frågade medförfattaren Juan Collar, UChicago professor i fysik. "Det som sker är väldigt subtilt." Freedman såg inte mycket av en chans för experimentell bekräftelse, skrev då:"Vårt förslag kan vara en hybrishandling, eftersom de oundvikliga begränsningarna för interaktionshastighet, upplösning och bakgrund utgör allvarliga experimentella svårigheter."

När en neutrino stöter in i en atoms kärna, det skapar en liten, knappt mätbar rekyl. Att göra en detektor av tunga ämnen som jod, cesium eller xenon ökar dramatiskt sannolikheten för detta nya sätt för neutrinointeraktion, jämfört med andra processer. Men det finns en avvägning, eftersom de små kärnkraftsrekylerna som blir följden blir svårare att upptäcka när kärnan blir tyngre.

"Föreställ dig att dina neutriner är pingisbollar som slår mot en bowlingklot. De kommer bara att ge denna bowlingklot en liten extra fart, " sa Collar.

För att upptäcka den där lilla rekylen, Collar och kollegor kom på att en cesiumjodidkristall dopad med natrium var det perfekta materialet. Upptäckten fick forskarna att kasta bort det tunga, gigantiska detektorer som är vanliga inom neutrinoforskning för en som är lika stor som en brödrost.

Inget gigantiskt labb

4-tums-x13-tumsdetektorn som används för att producera Vetenskap resultaten väger endast 32 pund (14,5 kg). I jämförelse, världens mest kända neutrinobservatorier är utrustade med tusentals ton detektormaterial.

"Du behöver inte bygga ett gigantiskt laboratorium runt det, " sa UChicago doktorand Björn Scholz, vars avhandling kommer att innehålla resultatet som redovisas i Vetenskap papper. "Vi kan nu tänka på att bygga andra små detektorer som sedan kan användas, till exempel för att övervaka neutrinoflödet i kärnkraftverk. Du sätter bara en fin liten detektor på utsidan, och du kan mäta det på plats."

Neutrinofysiker, under tiden, är intresserade av att använda tekniken för att bättre förstå egenskaperna hos den mystiska partikeln.

"Neutrinos är en av de mest mystiska partiklarna, ", sa Collar. "Vi ignorerar många saker om dem. Vi vet att de har massa, men vi vet inte exakt hur mycket."

Genom att mäta koherent elastisk neutrino-kärnspridning, fysiker hoppas kunna svara på sådana frågor. Det sammanhängande samarbetets Vetenskap papper, till exempel, sätter gränser för nya typer av neutrino-kvark-interaktioner som har föreslagits.

Resultaten har också implikationer i sökandet efter svagt interagerande massiva partiklar. WIMPs är kandidatpartiklar för mörk materia, som är osynligt material av okänd sammansättning som står för 85 procent av universums massa.

"Vad vi har observerat med neutrinos är samma process som förväntas vara på gång i alla WIMP-detektorer vi har byggt, " sa Collar.

Neutrino gränd

Det sammanhängande samarbetet, som involverar 90 forskare vid 18 institutioner, har genomfört sitt sökande efter koherent neutrinospridning vid Spallation Neutron Source vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Forskarna installerade sina detektorer i en källarkorridor som blev känd som "neutrinogränd". Denna korridor är kraftigt avskärmad av järn och betong från det högradioaktiva neutronstrålens målområde, bara 20 meter (mindre än 25 yards) bort.

Denna neutrino-gränd löste ett stort problem för neutrino-detektering:den sållar bort nästan alla neutroner som genereras av spallationsneutronkällan, men neutriner kan fortfarande nå detektorerna. Detta gör det möjligt för forskare att tydligare se neutrinointeraktioner i sina data. På andra håll skulle de lätt drunkna av de mer framträdande neutrondetekteringarna.

Spallation Neutron Source genererar de mest intensiva pulsade neutronstrålarna i världen för vetenskaplig forskning och industriell utveckling. I processen att generera neutroner, SNS producerar också neutriner, dock i mindre mängder.

"Du kan använda en mer sofistikerad typ av neutrinodetektor, men inte rätt sorts neutrinokälla, och du skulle inte se den här processen, "Sade Collar. "Det var äktenskapet mellan den idealiska källan och den ideala detektorn som fick experimentet att fungera."

Två av Collars tidigare doktorander är medförfattare till Science paper:Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, nu biträdande professor i fysik vid Duke University; och Nicole Fields, PhD'15, nu hälsofysiker vid U.S. Nuclear Regulatory Commission i Chicago.

Utvecklingen av en kompakt neutrinodetektor förverkligar en idé som UChicago-alumnen Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, föreslog 1984. Stodolsky och Andrzej Drukier, både från Max Planck Institute for Physics and Astrophysics i Tyskland, noterade att en koherent detektor skulle vara relativt liten och kompakt, till skillnad från de vanligare neutrinodetektorerna som innehåller tusentals liter vatten eller vätskescintillator. I sitt arbete, de förutspådde ankomsten av framtida neutrinoteknologier möjliggjorda genom miniatyriseringen av detektorerna.

Scholz, UChicago doktorand, hälsade forskarna som har arbetat i decennier för att skapa tekniken som kulminerade i upptäckten av koherent neutrinospridning.

"Jag kan inte förstå hur de måste känna nu när det äntligen har upptäckts, och de har uppnått ett av sina livsmål, " sa Scholz. "Jag har kommit in i slutet av loppet. Vi måste definitivt ge äran åt allt det enorma arbete som människor har gjort före oss."