Förutom i skräckfilmer, de flesta vetenskapliga experiment börjar inte med att forskare snokar runt smala, öde korridorer. Men en undanstoppad plats i fördjupningarna i Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gav exakt vad Yuri Efremenko letade efter.

Efremenko, en ORNL -forskare och University of Tennessee vid Knoxville professor, är talesman för COHERENT -experimentet, som studerar neutrinoer. Teamet använder fem partikeldetektorer för att identifiera en specifik interaktion mellan neutrinoer och atomkärnor. De vanligaste partiklarna i universum, neutriner är extremt lätta och har ingen elektrisk laddning. De interagerar väldigt lite med andra partiklar. Faktiskt, biljoner passerar genom jorden varje sekund, lämnar inget intryck. Naturligtvis, de är notoriskt svåra att upptäcka.

I början, laget undersökte ett livligt område nära Spallation Neutron Source (SNS), en DOE Office of Science användaranläggning på ORNL i Tennessee. Neutronerna som SNS producerar driver 18 olika instrument som omger SNS som ekrar på ett hjul. SNS producerar också neutrinoer, som flyger iväg i alla riktningar från partikelacceleratorns mål. Men att placera neutrinodetektorerna på samma golv som SNS skulle utsätta enheterna för bakgrundspartiklar som skulle öka osäkerheten.

"Vi hade verkligen turen att gå in i källaren en dag, "sa David Dean, ORNL:s fysikavdelningsdirektör. Efter att ha flyttat några vattenfat åt sidan och genomfört bakgrundstester, de var i affärer. Källarplatsen skulle skydda maskinerna från exponering för bakgrundspartiklar. När forskare installerat experimentets detektorer, de smeknamnet korridoren "Neutrino Alley."

Experimentet, kallas KOHERENT, utgör en stark kontrast till de flesta andra neutrino -experiment. För att få en glimt av dessa små partiklar, de flesta experiment använder otroligt stora maskiner, ofta på avlägsna platser. Den ena ligger på sydpolen, medan en annan skjuter neutrino strålar hundratals miles till en fjärrdetektor. Förutom sitt vardagliga läge, COHERENTs huvuddetektor är knappt större än en mjölkkanna. Faktiskt, Det är den minsta fungerande neutrinodetektorn i världen.

Men COHERENT och ett syster experiment på ORNL, UTSIKT, visar att neutrino -experiment inte behöver vara enorma för att göra stora upptäckter. Dessa två blygsamma experiment som stöds av DOE:s vetenskapliga kontor kommer att fylla några stora luckor i vår förståelse av denna konstiga partikel.

Neutrinons mysterier

Medan neutrinoer är några av de minsta partiklarna i universum, att undersöka dem kan avslöja massiva insikter.

"Neutrinoer berättar oerhört mycket om hur universum skapas och hålls samman, "sa Nathaniel Bowden, en forskare vid DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory och medordförande för PROSPECT. "Det finns inget annat sätt att svara på många av de frågor som vi befinner oss." Att förstå hur neutrinoer interagerar kan till och med hjälpa oss att förstå varför materia - och allt som består av det - existerar alls.

Men neutrinoer har inte gjort det enkelt att svara på dessa frågor. Det finns tre olika typer av neutrinoer, som alla beter sig annorlunda. Dessutom, de ändrar typ när de reser. Vissa forskare har föreslagit en ännu inte sett partikel som kallas steril neutrino. Fysiker teoretiserar att om sterila neutrinoer existerar, de skulle interagera med andra partiklar ännu mindre än vanliga gör. Det skulle göra dem nästan omöjliga att upptäcka.

Men det är ett stort "om". En steril neutrino skulle vara den första partikeln som inte förutses av standardmodellen, fysikers sammanfattning av hur universum fungerar.

"Neutrinos kan ha en aning om att upptäcka partikelfysik bortom standardmodellen, "sa Karsten Heeger, en professor vid Yale University och medordförande för PROSPECT.

Söker ett koherent svar med COHERENT

Ett team av forskare från ORNL, andra nationella laboratorier från DOE, och universitet utformade COHERENT -experimentet för att identifiera en specifik interaktion mellan neutrinoer och kärnor. Medan fysiker hade förutsagt denna interaktion för mer än 40 år sedan, de hade aldrig upptäckt det.

De flesta neutrinoer interagerar bara med enskilda protoner och neutroner. Men om en neutrinos energi är tillräckligt låg, den bör interagera med en hel kärna snarare än dess enskilda delar. Teoretiker föreslog att när en neutrino med låg energi närmar sig en kärna, de två partiklarna utbyter en elementär partikel som kallas en Z boson. När neutrino släpper ut Z boson, neutrino studsar bort. När kärnan tar emot Z -bosonen, kärnan backar något. Denna interaktion kallas koherent elastisk neutrino-kärnspridning.

Eftersom de flesta kärnor är mycket större än enskilda protoner eller neutroner, forskare borde se denna typ av interaktion oftare än interaktioner som drivs av neutrinoer med högre energi. Genom att "se" den lilla rekylenergin, COHERENTs detektorer i gallon gör det möjligt för forskare att studera neutrinoegenskaper.

"Det är ganska häftigt att du faktiskt kunde se en interaktion av neutrinoer med något du kan hålla i handen, "sa Kate Scholberg, en professor vid Duke University och samarbetspartner på COHERENT.

Men inget av detta skulle vara möjligt utan ORNL:s SNS. Neutrinerna som SNS producerar passerar genom betong och grus för att nå ORNL:s källare. De har precis rätt energi för att framkalla just denna interaktion. SNS pulserade stråle tillåter också forskare att filtrera bort "brus" från andra partiklar.

"Det finns ett stort flöde av neutrinoer som slösades bort, vid SNS, så att säga. Det är den perfekta källan för sammanhängande spridning - kattens pyjamas, "sa Juan Collar, en professor och samarbetspartner i Chicago vid COHERENT.

Efter att ha kört i 15 månader, KOHERENT fångade neutrinoer genom att dela ut Z bosoner 134 gånger.

När han tittade över sin doktorand på axeln när han krossade uppgifterna, Collar var glada över att se att resultaten kom ut precis som förväntat. "När vi äntligen tittade på de bearbetade, fullständig datamängd, vi gick 'wheeeeeee!' "sa han.

Att mäta detta fenomen-neutrino-kärna elastisk spridning-ger fysiker ett nytt och mångsidigt verktyg för att förstå neutrinoer.

"Det har öppnat vårt fönster för att leta efter fysiken bortom standardmodellen, sa Efremenko.

Med denna interaktion, forskare kan bättre förstå hur supernovor exploderar och producerar neutrinoer.

Även om dessa detektorer huvudsakligen används för grundforskning, deras lilla storlek kan också vara användbar för andra applikationer. Kärnreaktorer producerar olika typer och mängder neutrinoer, beroende på om de producerar energi eller vapenmaterial. En så liten detektor som COHERENT kan göra ansträngningarna att övervaka kärntekniska anläggningar mycket enklare.

Hitta precision med PROSPECT

Medan COHERENT letade efter ett specifikt fenomen, PROSPECT -experimentet kommer att fokusera på att göra otroligt exakta mätningar av neutrinoer från en kärnreaktor när de ändrar typ. Tidigare kärnreaktorförsök har resulterat i mätningar som avviker från teorin. PROSPECT -teamet har utformat ett experiment som kan utforska eventuella avvikelser, eliminera möjliga felkällor, eller ens upptäcka den sterila neutrino.

Jämfört med tidigare neutrino reaktor experiment, PROSPECT kommer att kunna mäta antalet och typen av neutrinoer mer exakt. avståndet de reser från reaktorn, och deras energi. PROSPECT skiljer sig från andra experiment genom att dess detektor har flera sektioner istället för en enda kammare. Detta gör det möjligt för forskare att mäta och jämföra olika neutrinooscillationslängder - det vill säga hur långt från reaktorn neutrinoer ändrar typ.

Om det finns sterila neutriner, denna detektordesign kan också göra det möjligt för forskare att observera regelbundna neutriner som övergår till sterila neutrinoer. I teorin, denna nya form av neutrinoer bör visas på ett specifikt avstånd från detektorkärnan.

High Flux Isotope Reactor (HFIR), en DOE Office of Science användaranläggning på ORNL, kommer att förse PROSPECT med sina neutrinoer. Kommersiella kärnreaktorer använder en mängd olika uran- och plutoniumbränslen med olika kombinationer av isotoper. Detta resulterar i ett brett spektrum av neutrinoenergier. Det gör det svårt att avgöra vilka isotoper som producerar vilka neutrinoer. Som forskningsreaktor, HFIR använder bara en isotop av uran:uran-235. Genom att mäta antineutrinoerna från den enda isotopen, PROSPECT -teamet kan bättre förstå hur alla kärnreaktorer producerar neutrinoer.

Forskare i PROSPECT -samarbetet avslutade nyligen byggandet av en detektor vid Yale Universitys Wright Laboratory. Medan den aktiva detektorregionen är mycket större än COHERENTs mjölkkanna-detektor, den är fortfarande bara fyra fot bred och väger cirka fem ton. Jämfört med detektorer som väger tusentals ton, även detta experiment går på den lilla sidan. När PROSPECT är klar och på plats, det kommer att ta data i tre år.

Även om dessa experiment verkar miniatyr i jämförelse med andra, de kunde avslöja svar om neutrinoer som har gömt sig för fysiker i årtionden. Det kan bara handla om att forskare vet var och hur de ska leta, även om det är i en till synes vanlig förvaringshall.