Neutrinos och antineutrinos är nästan masslösa partiklar som produceras i många kärnreaktioner, inklusive klyvning av uran i kärnkraftverk på jorden och fusionsreaktionerna i solens kärna.
Men de är djävulskt svåra att upptäcka – de flesta passerar genom jorden utan att stanna – vilket gör det svårt att studera de kärnreaktioner som äger rum i kärnan av stjärnor eller i stjärnexplosioner eller att övervaka kärnkraftverk för olaglig produktion av bombmaterial.
En ny typ av neutrinodetektor som nu testas i ett stort underjordiskt labb vid University of California, Berkeley, är utformad för att utnyttja den senaste tekniken för att förbättra känsligheten och kapaciteten hos antineutrino-detektorer. Sådana förbättrade detektorer skulle inte bara hjälpa till att upptäcka, lokalisera och karakterisera odeklarerat speciellt kärnmaterial som används i strid med federala eller internationella bestämmelser, utan också hjälpa forskare att utforska partiklarnas grundläggande fysik och deras interaktioner djupt inne i atomkärnan.
Kallas Eos, för Titans gudinna av gryningen, apparaten signalerar "gryningen av en ny era av neutrinodetektionsteknologi", enligt Gabriel Orebi Gann, en UC Berkeley docent i fysik och ledaren för Eos-samarbetet.
Prototypdetektorn kan detektera och karakterisera kärntekniska aktiviteter och material på distans, det vill säga på avstånd större än cirka 100 meter. Medan radioaktivitet från kärnmaterial kan skyddas från upptäckt, kan antineutriner som produceras i fissionsreaktioner inte. Eftersom miljarder produceras i en reaktor varje nanosekund, borde Eos kunna upptäcka tillräckligt med antineutriner för att identifiera hemlig produktion av material av bombkvalitet.
"Idén med neutrinodetektering är att du inte kan förfalska den, du kan inte skydda den, du kan inte fejka den. Neutrinos färdas med nästan ljusets hastighet, så de ger nästan omedelbar detektering, även på avstånd. De erbjuda en unik signatur av kärnkraftsaktivitet", säger Orebi Gann, som också är fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
"Om du antingen är långt borta eller om du har en mycket svag signatur, behöver du en stor detektor. Och för en stor detektor behöver du vätska."
Eos är en 10 meter hög, 5 meter bred cylinder fylld med vatten och en organisk scintillator och omgiven av ljusdetektorer som är tre gånger känsligare än de som används i fysikexperiment idag. Eos förbättrade känslighet och högre upplösning kommer från att kombinera två av dagens bästa tekniker för att detektera neutriner:scintillation och Cherenkov-emission.
Förbättringarna kan vara en spelomvandlare för framtida neutrinofysikprojekt, såsom Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) som nu byggs i en övergiven guldgruva i Lead, South Dakota, för att upptäcka neutriner som emitteras av en partikelaccelerator vid Fermi National Laboratory , 500 miles away i Illinois. UC Berkeley och Berkeley Lab är medlemmar i DUNE-samarbetet.
"Vad vi i slutändan skulle vilja bygga är en mycket större detektor som heter Theia," sa hon. "Theia är ljusets gudinna Titan och Eos mor i gudarnas pantheon. Den idealiska platsen för Theia är i den gruvan i South Dakota, när hon ser neutrinerna från Fermilab."
Det återstår att se om Theia – som skulle använda en tank som är tillräckligt stor för att nästan svälja Frihetsgudinnan – kommer att ersätta en av DUNEs fyra planerade flytande argon-detektorer.
Orebi Gann hävdar att en hybriddetektor som Theia, samtidigt som den ger jämförbar känslighet för att studera högenergistrålen hos neutriner som är det primära målet för DUNE, skulle lägga till nya möjligheter utöver en argondetektor, inklusive förmågan att detektera antineutrinos. Theia skulle också ha en 2-graders peknoggrannhet för platsen för en supernova via neutrinoskuren och skulle ha kapacitet att söka efter lågenergiska solneutriner och Majorana-neutriner.
Eos är unikt genom att vara en hybrid av de två huvudtyperna av flytande neutrinodetektorer, som båda börjar med en tank med vätska.
En teknik är baserad på en scintillator – i det här fallet linjär alkylbensen – som avger ljus som svar på de laddade partiklar som produceras under interaktioner med en neutrino eller antineutrino.
Neutrinos och antineutrinos kan också interagera med andra material, såsom vatten, för att producera en elektron, som sedan avger sitt eget ljus, men mycket svagare än scintillationsljus. Den senare kallas Cherenkov-strålning och sänds ut när elektronen plöjer genom vätskan snabbare än ljusets hastighet i vätskan, i likhet med den akustiska energin från en ljudbom som produceras av ett plan som färdas snabbare än ljudets hastighet.
I båda teknikerna är känsliga ljusdetektorer som kallas fotomultiplikatorrör anordnade runt tanken för att registrera intensiteten av det svaga ljuset. Intensiteten av scintillationen ger information om energin hos neutrinon eller antineutrino.
Cherenkov-strålning sänds dock ut i en kon, så den kan ge information om varifrån neutrinon kom, en viktig del av information för att studera kärnreaktorkällor såväl som kosmiska neutrinokällor.
"Fotomultiplikatorrör är känsliga för enstaka fotonnivåer av ljus," sa Orebi Gann. "Men en vätskescintillator ger dig mycket mer ljus:Om du har en elektron med samma energi får du 50 gånger mer ljus, beroende på scintillatorn, än från Cherenkov-emissionen. Det betyder att du får bättre precision för förstå var energin deponerades och hur mycket energi det fanns."
"Vi sa, okej, vi vill inte välja och vraka. Vi gillar inte kompromisser. Vi vill ha båda. Och det är målet här. Vi vill ha Cherenkovs ljusets topologi, men upplösningen av scintillation", sa hon .
Problemet är att ljus från scintillation är så starkt att det överväldigar Cherenkov-ljuset.
Lyckligtvis kommer Cherenkov-ljuset ut i en pikosekundskur, medan scintillationsljus dröjer sig kvar i nanosekunder.
"Om du har mycket snabba fotondetektorer kan du använda tidsskillnaden för att separera dessa två signaturer," sa hon. Eos kommer att omge vätsketanken med 242 fotomultiplikatorrör tillverkade av det japanska företaget Hamamatsu som är tre gånger snabbare än nuvarande fotomultiplikatorer.
Den synliga regionen av Cherenkov-ljus har ett rödare färgspektrum än scintillationsljus, som mestadels är blått. Teamet drar fördel av detta genom att omge den främre raden av fotomultiplikatorer med ett "dikroiskt" filter som reflekterar rött Cherenkov-ljus in i fotomultiplikatorn men låter blått scintillationsljus passera igenom till fotomultiplikatorer på baksidan.
"Du sorterar i princip dina fotoner efter våglängd och dirigerar dem till olika fotondetektorer baserat på våglängden", sa hon.
Orebi Gann och hennes team började montera Eos i september, försenat i sex veckor på grund av förstörelsen av den första ståltanken när lastbilen som transporterade den kolliderade med en överfart. Tankarna är så stora att forskarna var tvungna att inhysa experimentet i ett stort källarlabb – tidigare ockuperat av en kärnreaktor – som drivs av UC Berkeleys institution för kärnteknik.
De omgav akryltanken med fotomultiplikatorrören och lyfte sedan upp hela enheten till en cylindrisk ståltank. Den interna akryltanken och gapet mellan akryl- och ståltankarna fylldes sedan med rent vatten och sänkte fotomultiplikatorrören i gapet.
När teamet testar förmågan hos Eos att upptäcka Cherenkov-ljus från artificiella radioaktiva källor och naturliga, kosmiska myoner, kommer de gradvis att lägga till scintillatormaterial för att testa experimentets förmåga att skilja mellan de två typerna av ljusemissioner.
"Vi har också designat vår detektor så att vi kan använda ren vätskescintillator," sa Orebi Gann. "Detta skulle vara det ultimata testet:om vi fortfarande kan se Cherenkov-signaturen även med den maximala scintillationskomponenten."
Planerna kräver att undersöka hur väl Eos kan övervaka små modulära reaktorer och kärnkraftsdrivna sjöfartsfartyg och kontrollera testplatsens transparens.
Orebi Gann är också angelägen om att använda Eos-designen i allmänna neutrinofysikstudier, som att mäta flödet av neutriner från solens kärna för att verifiera de förutspådda kärnreaktionerna som driver den; undersökningar av terrestra källor för neutriner; kartlägga den diffusa supernova-neutrinobakgrunden i Vintergatan och bortom; och det pågående sökandet efter neutrinolöst dubbel beta-sönderfall, vilket skulle indikera att en neutrino är sin egen antipartikel.
Alla dessa frågor undersöks redan med antingen scintillatorn eller Cherenkov-detektorerna, men Orebi Gann hoppas att en hybriddetektor ska påskynda framstegen.
"Samma typ av fysik som var och en av dessa detektorer har gjort tidigare, vi skulle kunna göra bättre," sa hon. "Det är målet. Det är FoU för nästa generation."
Tillhandahålls av University of California - Berkeley
