Neutrinos, spöklika fundamentala partiklar som är bekant svåra att studera, skulle kunna ge forskare ledtrådar om universums utveckling.

De är så svåra att fånga, faktiskt, att det är möjligt att det finns en fjärde typ som har gömt sig precis under näsan på oss i decennier.

Forskare vid det UChicago-anslutna Fermi National Accelerator Laboratory, platsen för den mest omfattande neutrinoforskningen i världen, leder ett internationellt samarbete för att utforska möjligheten till en helt ny partikel. Även om tre typer av neutrinoer är kända, forskare letar efter en möjlig fjärde — den sterila neutrinon, vars existens har retats men aldrig tydligt bekräftats.

Huvudkomponenter för det nya neutrinoexperimentet kommer från hela världen för att integreras i den kommande Short-Baseline Near Detector, eller SBND, på Fermilab.

"Det korta baslinjeprogrammet syftar till att ta itu med intressanta resultat från tidigare experiment som kan antyda en ny klass av neutriner, som skulle öppna upp en helt ny, oväntat område inom neutrinofysik, sa David Schmitz, SBND:s medtalesman och biträdande professor i fysik vid University of Chicago. "Men oavsett vad vi hittar, resultaten borde ge oss klarhet i detta mångåriga pussel."

På Fermilab, ligger cirka 45 miles väster om Chicago, tre detektorer sitter längs en stråle av neutriner som genereras av Fermilabs partikelacceleratorer. Av dom tre, den nya detektorn kommer att sitta närmast strålkällan, bara 360 fot bort. (De andra två, MicroBooNE och ICARUS, är 1, 500 fot och 2, 000 fot från källan, respektive.)

"Anledningen till att du har tre detektorer är att du vill ta prov på neutrinostrålen längs strållinjen på olika avstånd, " sa Fermilab neutrinoforskare Ornella Palamara, den andra talespersonen för projektet.

När neutriner passerar genom den ena detektorn efter den andra, några av dem lämnar spår i detektorerna. Forskare kommer att analysera denna information för att söka efter säkra bevis för den hypotes som men aldrig sett medlemmen av neutrinofamiljen.

Att göra ett (försvinnande) utseende

Neutrinos finns i en av tre "smaker":elektron, muon och tau. De förändras från en smak till en annan när de reser genom rymden, som kallas oscillation. Neutrinos är kända för att svänga in och ut ur de tre smakerna, men bara ytterligare bevis kommer att hjälpa forskare att avgöra om de också svänger till en fjärde typ - en steril neutrino.

Om dessa sterila neutriner finns, de interagerar inte med materia alls. (De neutriner vi känner till interagerar, men bara sällan.) Resultat från andra experiment har antytt möjligheten att den sterila neutrinon existerar, men hittills, ingen har bekräftat det.

SBND, som den första detektorn i strålen, kommer att registrera antalet elektron- och myonneutriner som passerar genom den innan svängning kan inträffa. De allra flesta av dem – cirka 99,5 procent – ​​kommer att vara muonneutriner. När de anlände till de bortre detektorerna, MicroBooNE och ICARUS, några få av tusen muonneutriner kan ha omvandlats till elektronneutriner.

Två möjliga utfall skulle kunna indikera existensen av den nya partikeln.

En är att de bortre detektorerna ser fler elektronneutriner än väntat. Detta kan vara bevis på att sterila neutriner också är närvarande:neutrinerna kan omvandlas till och ut ur sterila neutrinotillstånd på ett sätt som producerar ett överskott av elektronneutriner. Den andra är att de bortre detektorerna ser färre muonneutriner än väntat – de muonneutriner som finns på SBND "försvinner" – eftersom de omvandlas till sterila neutriner.

"Att ha ett enda experiment där vi kan se elektronneutrinos utseende och myonneutrino försvinner samtidigt och se till att deras storlek är kompatibla med varandra är enormt kraftfullt för att försöka upptäcka sterila neutrinoscillationer, ", sade Schmitz. "Närdetektorn förbättrar avsevärt vår förmåga att göra det."

Komponenter från tre kontinenter

Den första av fyra anodplansenheter, mycket känsliga elektroniska komponenter, kom till Fermilab i oktober. Fler är på väg.

Anodplansaggregaten, fyra totalt, är en del av en 4 x 4 x 5 meter detektor som kommer att hängas in i en kryogen tank fylld med flytande argon vid -300 grader Fahrenheit. Varje montering är en enorm ram täckt med tusentals ömtåliga sensortrådar, designad för att spåra partiklar som kommer från neutriner som kolliderar med argonatomer i tanken.

SBND kommer också att vara en testplats för några av teknologierna, inklusive anodplansenheterna, som kommer att användas i det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, känd som DUNE, ett megavetenskapligt experiment som arrangeras av Fermilab som för närvarande är under uppbyggnad i South Dakota.

Institutioner i Europa, Sydamerika och USA hjälper till att bygga SBND:s olika komponenter. I alla, mer än 20 institutioner på tre kontinenter är involverade i arbetet. Ytterligare ett dussin samarbetar om mjukvaruverktyg för att analysera data när detektorn är i drift, sa Schmitz.

"Att vara en del av ett internationellt samarbete är fantastiskt, " sa Palamara. "Självklart, det finns utmaningar, men det är fantastiskt att se människor som kommer från hela världen för att arbeta med programmet. Att bygga delar av detektorn på olika ställen och sedan se allt gå ihop är spännande."

Montering av SBND förväntas slutföras hösten 2019, varefter detektorn kommer att installeras i sin byggnad längs den acceleratorgenererade neutrinostrålen. SBND är planerad att börja ta emot neutriner i slutet av 2020.