Ett nytt US Department of Energy -projekt för att utveckla den första detektorn som kan fjärrövervaka kärnreaktorer kommer också att hjälpa fysiker att testa nästa generation neutrinoobservatorier.

Kärnreaktioner ger upphov till antineutrinoer - neutrino -motstycke. De nya detektorerna kommer att utformas för att mäta energin hos sådana antineutrinoer och från vilken riktning de kommer, tillåta övervakning av reaktorer från ett avstånd av 25 kilometer för att verifiera spridningsavtal. Detta projekt kommer att lägga grunden för större detektorer som kan övervaka reaktordrift från ett avstånd av flera hundra kilometer, hjälpa nationer att spåra eller begränsa produktionen av klyvbart material som kan användas i kärnvapen.

Men fysiker är också intresserade av att upptäcka neutriner och antineutrinos för att upptäcka universums grundlagar, i synnerhet för att lära sig varför universum idag består mestadels av normal materia med mycket lite antimateria, när båda borde ha gjorts i lika stora mängder under Big Bang.

"Dessa neutrinoobservationer har mycket omfattande konsekvenser; de kan hjälpa oss att förklara hur vi kom till, "sa Gabriel Orebi Gann, en biträdande professor i fysik och fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory som är UC Berkeleys huvudutredare för den nya detektorn.

Det inledande projektet heter Watchman, för WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos, och kommer att byggas genom ett stort samarbete mellan forskare i USA och Storbritannien, ledd av Lawrence Livermore National Laboratory. UC Berkeley och Berkeley Lab är medlemmar i samarbetet, kallade Advanced Instrumentation Testbed, eller AIT, som finansieras av DOE:s nationella kärnsäkerhetsförvaltning.

Med förbehåll för slutgodkännande av gruvmyndigheter, Watchman kommer att byggas på platsen för Boulby Underground Laboratory, en befintlig brittisk regeringsfinansierad djup underjordisk vetenskapsanläggning som arbetar i en fungerande kaliumdryck, polyhalit- och saltgruva (Boulby Mine) som ligger på Englands nordöstra kust. Genom sin planerade operativa start 2023, det kommer att bestå av 3, 500 ton vätska, mestadels vatten blandat med elementet gadolinium, som kommer att ställas in för att upptäcka interaktioner mellan antineutrinos som släpps ut från en kärnreaktor vid Hartlepool -komplexet 25 kilometer bort.

Dessa antineutrinos kommer att interagera med protoner i vattenmålet för att producera positroner, elektronernas antimateripartner, som producerar ljus i detektorn när de färdas snabbare än ljusets hastighet i vätskan - motsvarande en sonisk bom, så kallat Cherenkov-ljus. Ljusets intensitet berättar för forskare energin hos dessa positroner, som ska matcha förutsägelser.

Neutrinos inte särskilt interaktiva

Neutrinos och antineutrinos är bland naturens mest svårfångade partiklar, passerar genom material, inklusive hela jorden, utan att interagera med någon annan fråga. De färdas med nästan ljusets hastighet, och forskarna som upptäckte att de har en liten massa vann Nobelpriset i fysik 2015.

Medan den första fasen av Watchman kommer att använda dagens detektorteknologi, den andra fasen kommer att använda flera avancerade tekniker för att förbättra känsligheten för lågenergi-antineutrinoer. Dessa inkluderar vattenbaserade flytande scintillatorer och snabba fotosensorer och ljuskoncentratorer för att möjliggöra diskriminering mellan ljusglimtar åtskilda av några hundra pikosekunder-10 gånger bättre än vad som uppnås med dagens fotomultiplikatorrör.

"Denna demonstration kommer att lägga grunden för större detektorer som skulle krävas för att övervaka eller upptäcka små reaktorer på avstånd upp till flera hundra kilometer, "sa Adam Bernstein, AIT:s huvudutredare och en LLNL -fysiker.

För Orebi Gann, AIT är en möjlighet att testa nya och känsligare detektorer för ett framtida neutrinobservatorium som har kallats Theia, efter Titans gudinna av ljus. Theia beräknas vara 50, 000-tons tank med vattenbaserad vätskescintillator med radioaktiva metaller tillsatta för att förbättra neutrinointeraktioner och snabba fotosensorer, plus annan toppmodern teknik.

"Jag är mycket upphetsad att bidra till AIT och Watchman eftersom det är ett riktigt viktigt steg på vägen mot Theia, " sa Orebi Gann, som inte bara har varit involverad i Sudbury Neutrino Observatory i Kanada, där neutrino massan först upptäcktes, men också dess efterträdare, SNO+.

Är neutrino sin egen antipartikel?

Den stora frågan för neutrinofysik idag är om neutrinon är sin egen antimateriapartikel. Det är, är neutrino och antineutrino samma sak? Om detta var sant, det skulle ge ett sätt att förklara asymmetrin för materia-antimateria i universum:det skulle tillåta existensen av nya och mycket tunga neutrinoer som skulle ha funnits först efter Big Bang, och kunde ha förfallit företrädesvis till materia istället för antimateria.

"Om vi ​​inte ser det om vi ser att neutrinoer inte är deras egna antipartiklar, det är lika stort, eftersom det säger att det finns något annat som skiljer materia från andra antimaterier än elektrisk laddning, "Orebi Gann sa, "att det finns någon annan symmetri som vi inte känner till som skiljer neutrinon från antineutrino."

Nyckeltestet ligger i observationer av dubbel beta-sönderfall, den sällsynta formen av radioaktivt sönderfall där två neutroner i atomkärnan spontant förfaller, var och en skapar en proton, en elektron och en antineutrino. Om neutrinos och antineutrinos är samma partikel, i vissa fall av denna sällsynta händelse skulle de två neutrinos/antineutrinos utplåna varandra inuti kärnan och experimenterande skulle inte se några antineutrinos dyka upp.

Således, fysiker letar efter händelser-så kallade neutrinolösa dubbla betaförfall-som involverar två energiska elektroner som bär all energi från dubbelbetaförfallet, och ingenting annat.

SNO+ använder ett vätskescintillatormål som producerar cirka 50 gånger mer ljus när elektroner plöjer igenom än vad som produceras av Cherenkov-effekten, vilket ökar chanserna att upptäcka neutrinolöst dubbel beta-sönderfall. Målet med Advanced Instrumentation Testbed, särskilt fas 2, är att testa en kombination av Cherenkov-detektion och scintillation för nästa generations neutrino-detektor, Theia.

"Med Theia, vi vill kombinera fördelarna med ett målmedium som producerar mycket ljus, som scintillation, med ett medium där vi också kan se Cherenkov -ljuset - det riktade ljuset, "Sa Orebi Gann." Tillsammans, de kommer att ge dig en riktning, låg tröskeldetektor som ger en fantastisk signal-till-bakgrund diskriminering för ett brett spektrum av neutrino fysik, liksom spännande ämnen som protonförfall. "

Även om Watchmans fokus är icke-spridning, det skulle också kunna upptäcka antineutrino -utbrott från supernovor, och kanske neutrinoer som produceras på jorden själv, så kallade geoneutrinos.

"Väktare, och mer allmänt AIT, ge exempel på den kraftfulla synergi som kan uppnås när verktyg som utvecklats för grundvetenskap tillämpas i icke -spridningssammanhang, sa Bernstein.