El detector PROSPECT consistirá en una matriz de 11 x 14 células largas y delgadas llenas de centelleador líquido, que está diseñado para detectar los antineutrinos que emanan del núcleo del reactor. Si existe un sabor a neutrino estéril, entonces PROSPECT verá ondas de antineutrinos que aparecen y desaparecen con un período determinado por su energía. Composición no dibujada a escala. Las células individuales en sí mismas (arriba a la derecha) están llenas de una mezcla líquida no convencional desarrollada parcialmente por NIST. Además de contener una solución centelleante disponible comercialmente que convierte los golpes en luz, el líquido está dopado con iones de litio, lo que permite a los investigadores capturar las señales de antineutrinos en un detector de tamaño relativamente pequeño. Crédito:Sean Kelley / NIST
Últimamente, neutrinos - el diminuto, partículas casi sin masa que muchos científicos estudian para comprender mejor el funcionamiento fundamental del universo, han planteado un problema para los físicos.
Saben que estas partículas se producen en cantidades inmensas por reacciones nucleares como las que tienen lugar dentro de nuestro sol. También saben que los neutrinos no interactúan muy a menudo con la materia; miles de millones de ellos pasaron por tu mano en el tiempo que te llevó leer esta oración.
Pero en una serie de experimentos en todo el mundo, los investigadores están encontrando un déficit en la cantidad de neutrinos que ven frente a lo que esperan ver, basado en la teoría. Y esto no tiene nada que ver con el cambio de ida y vuelta entre los tres sabores de neutrinos que los físicos también conocen.
Una posible explicación es que hay un cuarto tipo de neutrino que no ha sido detectado. Se lo conoce como neutrino estéril. Y los científicos del NIST comenzarán a buscarlo el próximo año como parte del Experimento de Espectro y Oscilación de Precisión (PROSPECT), una colaboración que involucró a 68 científicos e ingenieros de 10 universidades y cuatro laboratorios nacionales.
"Este es potencialmente un experimento de descubrimiento, "dice Pieter Mumm del NIST, quien es cofundador y co-portavoz del proyecto, junto con Karsten Heeger en la Universidad de Yale y Nathaniel Bowden en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Descubrir una nueva partícula sería "muy emocionante, " él continúa, debido a que un nuevo tipo de neutrino no es parte del Modelo Estándar de física, la explicación bien examinada del universo tal como lo conocemos.
Para encontrar la nueva partícula o refutar definitivamente su existencia, la colaboración PROSPECT se está preparando para construir un detector único en su tipo para experimentos de neutrinos de corto alcance, utilizando un reactor nuclear como fuente de neutrinos.
Primero, un antineutrino electrónico (v̄e) interactúa con un protón (p) en el centelleador líquido que llena cada celda del detector, creando un positrón (e +) y un neutrón (n). Próximo, el neutrón deambula en el líquido y luego es capturado por iones de litio en el líquido, produciendo dos partículas pesadas:un tritio (3H) y un alfa (α). Derecha:La firma de que se "capturó" un antineutrino electrónico es, por lo tanto, un doble estallido de luz:uno grande del positrón, seguido decenas de microsegundos más tarde por uno ligeramente más pequeño de las dos partículas pesadas. Crédito:Sean Kelley / NIST
El trabajo no solo podría arrojar luz sobre la nueva física, pero también podría brindar a los investigadores una nueva herramienta para monitorear y proteger los reactores nucleares.
PROSPECCIÓN de neutrinos
A diferencia de otros experimentos con neutrinos, que normalmente analizan las oscilaciones entre los tres sabores conocidos a distancias de kilómetros o cientos de kilómetros, PROSPECT observará las oscilaciones de neutrinos en unos pocos metros, el espacio de una pequeña habitación. La distancia es demasiado corta para ver oscilaciones entre los sabores conocidos. Pero es exactamente la escala correcta para las supuestas oscilaciones de neutrinos estériles.
Esta configuración "le da una firma absolutamente férrea, "Dice Mumm." Si ves esa variación, esa oscilación característica, solo hay una explicación para ello. Tiene que ser neutrinos estériles ".
El detector en sí tendrá unos 4,5 metros cúbicos y estará compuesto por una matriz de 11 por 14 de "células" largas y delgadas apiladas unas sobre otras [ver diagrama]. con una resolución espacial esperada de unos 10 centímetros cúbicos. Como fuente de neutrinos, PROSPECT utilizará el reactor de isótopos de alto flujo en el laboratorio Oak Ridge en Tennessee. El experimento se colocará lo más cerca posible del núcleo del reactor, a solo 7 metros (unos 20 pies) de distancia.
PROSPECT no verá los neutrinos estériles directamente. Bastante, detectará un tipo particular de neutrino que se produce regularmente en los reactores nucleares:el antineutrino de tipo electrónico.
Un par de células prototipo en construcción en una sala limpia. Crédito:Cortesía de la colaboración PROSPECT
Para identificar un antineutrino electrónico, los investigadores buscarán una señal de luz particular. Cada celda del detector está llena de un material centelleante. Eso significa que la energía se convierte en luz, que es amplificado y recogido por un par de tubos fotomultiplicadores en cada celda.
Cuando un neutrino golpea un protón en el líquido que llena las células, crea nuevas partículas que depositan energía dentro del detector. Estas partículas hijas forman una firma que les dice a los investigadores que un neutrino estuvo allí una vez (vea el diagrama de arriba).
"Lo que en realidad estamos sintiendo es la luz emitida por el centelleador líquido, "Dice Mumm. La señal que están buscando es" algo que parece un positrón, seguido en el momento apropiado [decenas de microsegundos, o millonésimas de segundo] por algo que parece una captura de neutrones ".
Próximos pasos
Hasta aquí, la colaboración ha creado una serie de prototipos, incluyendo un par de celdas construidas a escala, y está ejecutando simulaciones para validar los modelos que están usando para separar la señal de los fondos altos que esperan. Gracias a las subvenciones del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Heising-Simons este verano, han comenzado a construir físicamente el detector.
PROSPECT debería responder a la pregunta de si hay neutrinos estériles o no dentro de tres años, Dice Mumm. Mientras tanto, El trabajo de la colaboración tiene algunas consecuencias potencialmente revolucionarias para la física de los reactores. Por ejemplo, Los científicos podrían utilizar esta tecnología para diseñar un dispositivo para monitorear las operaciones del reactor de forma remota.
"Puedes imaginar, al menos me parece, que esta podría ser una herramienta bastante poderosa en las circunstancias adecuadas, "Dice Mumm." No puedes proteger a los neutrinos. No hay forma de burlarlo ".
