Excepto en las películas de terror, la mayoría de los experimentos científicos no comienzan con científicos husmeando por estrechos, pasillos desiertos. Pero una ubicación escondida en los recovecos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) proporcionó exactamente lo que Yuri Efremenko estaba buscando.

Efremenko, investigador de ORNL y profesor de la Universidad de Tennessee en Knoxville, es el portavoz del experimento COHERENT, que está estudiando neutrinos. El equipo utiliza cinco detectores de partículas para identificar una interacción específica entre neutrinos y núcleos atómicos. Las partículas más abundantes del universo, Los neutrinos son extremadamente ligeros y no tienen carga eléctrica. Interactúan muy poco con otras partículas. De hecho, trillones pasan por la Tierra cada segundo, sin dejar ninguna impresión. No hace falta decir que, son notoriamente difíciles de detectar.

En primer lugar, el equipo inspeccionó un área bulliciosa cerca de la fuente de neutrones de espalación (SNS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL en Tennessee. Los neutrones que produce el SNS impulsan 18 instrumentos diferentes que rodean al SNS como los radios de una rueda. El SNS también produce neutrinos, que vuelan en todas direcciones desde el objetivo del acelerador de partículas. Pero colocar los detectores de neutrinos en el mismo piso que el SNS expondría los dispositivos a partículas de fondo que aumentarían las incertidumbres.

"Tuvimos mucha suerte de poder ir al sótano un día, "dijo David Dean, Director de la División de Física de ORNL. Después de mover algunos barriles de agua a un lado y realizar pruebas de fondo, estaban en el negocio. La ubicación del sótano protegería las máquinas de la exposición a partículas de fondo. Una vez que los científicos instalaron los detectores del experimento, apodaron el pasillo "Callejón de Neutrino".

El experimento, llamado COHERENTE, plantea un marcado contraste con la mayoría de los otros experimentos con neutrinos. Para echar un vistazo a estas minúsculas partículas, la mayoría de los experimentos utilizan máquinas increíblemente grandes, a menudo en ubicaciones remotas. Uno está ubicado en el Polo Sur, mientras que otro dispara rayos de neutrinos a cientos de millas hacia un detector lejano. Además de su ubicación mundana, El detector principal de COHERENT es apenas más grande que una jarra de leche. De hecho, es el detector de neutrinos en funcionamiento más pequeño del mundo.

Pero COHERENT y un experimento hermano en ORNL, PERSPECTIVA, están demostrando que los experimentos con neutrinos no tienen que ser enormes para hacer grandes descubrimientos. Estos dos experimentos modestos apoyados por la Oficina de Ciencias del DOE están preparados para llenar algunos vacíos importantes en nuestra comprensión de esta extraña partícula.

Los misterios del neutrino

Si bien los neutrinos son algunas de las partículas más pequeñas del universo, investigarlos puede revelar conocimientos masivos.

"Los neutrinos nos dicen mucho sobre cómo se crea y se mantiene unido el universo, "dijo Nathaniel Bowden, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del DOE y co-portavoz de PROSPECT. "No hay otra forma de responder a muchas de las preguntas que nos hacemos". Comprender cómo interactúan los neutrinos puede incluso ayudarnos a comprender por qué existe la materia, y todo lo que está hecho a partir de ella.

Pero los neutrinos no han facilitado la respuesta a estas preguntas. Hay tres tipos diferentes de neutrinos, cada uno de los cuales se comporta de manera diferente. Además, cambian de tipo mientras viajan. Algunos científicos han propuesto una partícula aún no vista llamada neutrino estéril. Los físicos teorizan que si existen neutrinos estériles, interactuarían con otras partículas incluso menos que las normales. Eso los haría casi imposibles de detectar.

Pero eso es un gran "si". Un neutrino estéril sería la primera partícula no predicha por el modelo estándar, resumen de los físicos sobre cómo funciona el universo.

"Los neutrinos pueden ser la clave para descubrir la física de partículas más allá del Modelo Estándar, "dijo Karsten Heeger, profesor de la Universidad de Yale y co-portavoz de PROSPECT.

Buscando una respuesta coherente con COHERENTE

Un equipo de científicos de ORNL, otros laboratorios nacionales del DOE, y las universidades diseñaron el experimento COHERENT para identificar una interacción específica entre neutrinos y núcleos. Si bien los físicos habían predicho esta interacción hace más de 40 años, nunca lo habían detectado.

La mayoría de los neutrinos solo interactúan con protones y neutrones individuales. Pero si la energía de un neutrino es lo suficientemente baja, debería interactuar con un núcleo completo en lugar de sus partes individuales. Los teóricos propusieron que cuando un neutrino de baja energía se acerca a un núcleo, las dos partículas intercambian una partícula elemental llamada bosón Z. A medida que el neutrino libera el bosón Z, el neutrino rebota. A medida que el núcleo recibe el bosón Z, el núcleo retrocede levemente. Esa interacción se llama dispersión elástica coherente de neutrinos-núcleo.

Debido a que la mayoría de los núcleos son mucho más grandes que los protones o neutrones individuales, los científicos deberían ver este tipo de interacción con más frecuencia que las interacciones impulsadas por neutrinos de mayor energía. Al "ver" la pequeña energía de retroceso, Los detectores del tamaño de un galón de COHERENT hacen posible que los científicos estudien las propiedades de los neutrinos.

"Es genial que puedas ver una interacción de neutrinos con algo que puedes sostener en tu mano, "dijo Kate Scholberg, profesor de la Universidad de Duke y colaborador de COHERENT.

Pero nada de esto sería posible sin el SNS de ORNL. Los neutrinos que produce el SNS atraviesan el hormigón y la grava para llegar al sótano de ORNL. Tienen la energía adecuada para inducir esta interacción en particular. El haz pulsado del SNS también permite a los científicos filtrar el "ruido" de fondo de otras partículas.

"Hay un gran flujo de neutrinos que se está desperdiciando, en el SNS, por así decirlo. Es la fuente perfecta para una dispersión coherente:el pijama del gato, "dijo Juan Collar, profesor de la Universidad de Chicago y colaborador de COHERENT.

Después de correr durante 15 meses, COHERENT capturó neutrinos en el acto de entregar bosones Z 134 veces.

Mirando por encima del hombro de su estudiante de posgrado mientras analizaba los datos, Collar se emocionó al ver que los resultados salieron exactamente como se esperaba. "Cuando finalmente miramos el procesado, conjunto de datos completo, ¡Dijimos 'Wheeeeeee!' ", dijo.

La medición de este fenómeno, la dispersión elástica neutrino-núcleo, brinda a los físicos una herramienta nueva y versátil para comprender los neutrinos.

"Abrió nuestra ventana para buscar la física más allá del modelo estándar, "dijo Efremenko.

Usando esta interacción, los científicos pueden comprender mejor cómo explotan las supernovas y producen neutrinos.

Si bien estos detectores se utilizan principalmente para investigación fundamental, su pequeño tamaño también podría ser útil para otras aplicaciones. Los reactores nucleares producen diferentes tipos y cantidades de neutrinos, dependiendo de si producen energía o material apto para armas. Un detector tan pequeño como el de COHERENT podría facilitar mucho el esfuerzo de monitorizar las instalaciones nucleares.

Encontrar la precisión con PROSPECT

Mientras COHERENT buscaba un fenómeno específico, el experimento PROSPECT se centrará en realizar mediciones increíblemente precisas de los neutrinos de un reactor nuclear a medida que cambian de tipo. Los experimentos anteriores de reactores nucleares han dado lugar a mediciones que se apartan de la teoría. El equipo de PROSPECT ha diseñado un experimento que puede explorar cualquier discrepancia, eliminar posibles fuentes de error, o incluso descubrir el neutrino estéril.

En comparación con los experimentos anteriores de reactores de neutrinos, PROSPECT podrá medir con mayor precisión el número y tipo de neutrinos, la distancia que viajan desde el reactor, y su energía. PROSPECT se diferencia de otros experimentos en que su detector tiene varias secciones en lugar de una sola cámara. Esto permite a los científicos medir y comparar varias longitudes de oscilación de neutrinos, es decir, a qué distancia del reactor los neutrinos están cambiando de tipo.

Si existen neutrinos estériles, este diseño de detector también puede permitir a los científicos observar la transición de neutrinos regulares a neutrinos estériles. En teoria, esta nueva forma de neutrinos debería aparecer a una distancia específica del núcleo del detector.

El reactor de isótopos de alto flujo (HFIR), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, proporcionará a PROSPECT sus neutrinos. Los reactores nucleares comerciales utilizan una variedad de combustibles de uranio y plutonio con diferentes combinaciones de isótopos. Esto da como resultado un amplio espectro de energías de neutrinos. Eso hace que sea difícil determinar qué isótopos están produciendo qué neutrinos. Como reactor de investigación, HFIR solo usa un isótopo de uranio:uranio-235. Al medir los antineutrinos de ese único isótopo, el equipo de PROSPECT puede comprender mejor cómo todos los reactores nucleares producen neutrinos.

Los científicos de la colaboración PROSPECT terminaron recientemente de construir un detector en el Laboratorio Wright de la Universidad de Yale. Si bien la región del detector activo es mucho más grande que el detector del tamaño de una jarra de leche de COHERENT, todavía tiene sólo cuatro pies de ancho y pesa alrededor de cinco toneladas. En comparación con los detectores que pesan miles de toneladas, este experimento también funciona en el lado pequeño. Una vez que PROSPECT esté completo y en su lugar, se necesitarán datos durante tres años.

Si bien estos experimentos parecen en miniatura en comparación con otros, podrían revelar respuestas sobre neutrinos que se han estado escondiendo de los físicos durante décadas. Puede que solo sea cuestión de que los científicos sepan dónde y cómo mirar, incluso si está en un pasillo de almacenamiento aparentemente normal.