Neutrinos har en nyupptäckt metod för att interagera med materia, vilket öppnar upp sätt att hitta dem
Neutrinon är en förvirrande liten partikel som tros ha spelat en stor roll i utvecklingen av vårt universum. De har också mycket liten massa, har ingen laddning och interagerar med andra partiklar endast genom den svaga kärnkraften och gravitationen. Som sådan är det extremt svårt att hitta bevis på deras interaktioner och kräver avancerade faciliteter som är avskärmade för att förhindra störningar.
En sådan anläggning är Oak Ridge National Laboratory (ORNL) där ett internationellt team av forskare genomför SAMMANHÄNGANDE partikelfysikexperiment. Nyligen uppnådde forskare vid COHERENT ett stort genombrott när de hittade de första bevisen på en ny typ av neutrinointeraktion, som effektivt demonstrerar en process känd som koherent elastisk neutrino-nukleär spridning (CEvNS).
Forskningen utfördes av SAMMANHÄLLANDE samarbete – som inkluderar 80 forskare från 19 institutioner i 4 nationer – med hjälp av Spallationsneutronkälla (SNS) vid ORNL. Som de indikerar i en studie (som nyligen dök upp i Fysiska granskningsbrev ), består deras forskning av att observera en process som kallas Coherent Elastic Neutrino-nucleus Scattering (CEvNS, uttalas 'sjuor').
The Spallation Neutron Source producerar också neutrinos i stora mängder. Kredit: Jason Richards/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Enligt Standardmodellen inom partikelfysiken är neutriner leptoner, en elementarpartikel som liknar en elektron – men utan elektrisk laddning och mycket liten massa (om någon). De skapas genom radioaktivt sönderfall, stjärnfusion, supernovor och som en biprodukt av Big Bang. Av denna anledning tros de vara den vanligaste partikeln i universum.
CEvNS-processen kommer ner på att neutriner kolliderar med den mycket större kärnan i ett grundämne, vilket resulterar i en liten överföring av energi och får kärnan att rekylera nästan omärkligt. Processen förutspåddes först år 1973 men undvek upptäckt på grund av de små mängderna energi och rörelse som var involverade. Detta förändrades under 2017 när medlemmar i COHERENT-samarbetet använde SNS för att mäta CEvNS-processen för första gången.
I det här fallet observerade de neutriner som genererades av SNS när de interagerade med tyngre cesium- och jodkärnor. Den här gången observerade teamet neutriner när de kolliderade med ännu mindre argonkärnor, vilket orsakade ännu mindre nivåer av rekyl. Som Duke University fysiker Kate Scholberg, en talesman och organisatör av vetenskap och teknik mål för COHERENT, förklarade i en ORNL pressmeddelande :
'De Standardmodell för partikelfysik förutsäger koherent elastisk spridning av neutriner från kärnor. Att se neutrinointeraktionen med argon, den lättaste kärnan för vilken den har uppmätts, bekräftar den tidigare observationen från tyngre kärnor. Att mäta processen exakt etablerar begränsningar för alternativa teoretiska modeller.'
Förutom att vara den minsta neutrinodetektorn i världen är det SNS-acceleratorbaserade systemet också världens ljusaste källa för pulsade neutronstrålar. Detta består av protoner som avfyras mot kvicksilveratomer, en process som krossar dem för att producera enorma mängder neutroner och neutriner som en biprodukt.
Dessa neutrinos används i ett dedikerat neutrinolaboratorium under SNS, ett experiment känt som ' Neutrino Alley ” utvecklat av COHERENT-teamet. Denna gränd är utrustad med mycket känsliga CENNS-10-detektorer, som är beroende av cesiumjodid-scintillatorkristaller för att upptäcka små ljussignaler som produceras av subatomära interaktioner. SNS utökades ytterligare 2017 med tillägg av natriumjodiddetektorer.
Yuri Efremenko, en fysiker vid University of Tennessee, övervakade det senaste tillägget till experimentet, som bestod av detektorer för flytande argon. Som Efremenko förklarade gjorde detta experimentet ännu mer känsligt, till den grad att det kunde ge data om ännu mindre kollisioner:
'Argon ger en sorts 'dörr'. CEvNS-processen är som en byggnad som vi vet borde finnas. Den första mätningen på cesium och jod var en dörr som släppte in oss för att utforska byggnaden. Vi har nu öppnat den här andra argondörren. Att se något oväntat skulle vara som att öppna dörren och se fantastiska skatter.”
Maria del Valle Coello, som studerar i fysik vid Indiana University, tittar på CENNS-10-detektorn installerad i SNS:s Neutrino Alley. Kredit: Rex Tayloe/Indiana University
COHERENT-teamet samlade in 18 månaders data från SNS, vars analys avslöjade 159 CEvNS-händelser – vilket är förenligt med standardmodellens förutsägelse. I framtiden hoppas samarbetsteamet kunna skala sitt experiment så att de kan observera 25 gånger så många CEvNS-händelser per år. I processen hoppas de få detaljerade spektra som kan avslöja signaturerna för ny fysik.
För att främja sitt mål att observera CEvNS på en mängd olika kärnor, planerar teamet att installera en ännu större 10-tons (9 ton) flytande argon-detektor vid SNS:s andra målstation. Det finns också planer på att lägga till en 16 kg (~35 lbs) detektor baserad på germaniumkärnor (större än argon men mindre än cesium och jod) till Neutrino Alley nästa år.
Under tiden kommer data från denna senaste analys att hjälpa forskare runt om i världen att tolka deras neutrinomätningar och undersöka möjligheten till ny fysik. Dessa resultat har även praktiska tillämpningar i laboratoriet och på fältet. Till exempel kan metoden som används av COHERENT-teamet användas av partikelfysiker för att mäta fördelningen av neutroner inuti kärnor.
Samtidigt kan astrofysiker använda den för att bestämma tätheten av neutronstjärnor, vilket ger ytterligare en 'dörr' för att undersöka fysik under de mest extrema och exotiska domänerna. Sa fysiker Jason Newby, ORNL:s ledare för COHERENT experimentet:
'Vi letar efter sätt att bryta standardmodellen. Vi älskar standardmodellen; det har varit riktigt lyckat. Men det finns saker som det bara inte förklarar. Vi misstänker att på dessa små platser där modellen kan gå sönder kan svar på stora frågor om universums natur, antimateria och mörk materia, till exempel, ligga och vänta.”
Vidare läsning: ORNL , Fysiska granskningsbrev