El experimento de física de partículas COHERENT en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha establecido firmemente la existencia de un nuevo tipo de interacción de neutrinos. Debido a que los neutrinos son eléctricamente neutros e interactúan solo débilmente con la materia, la búsqueda para observar esta interacción impulsó avances en la tecnología de detectores y ha agregado nueva información a las teorías que apuntan a explicar los misterios del cosmos.

"Se cree que el neutrino está en el centro de muchas preguntas abiertas sobre la naturaleza del universo, ", dijo el profesor de física de la Universidad de Indiana, Rex Tayloe. Él dirigió la instalación, operación y análisis de datos de un detector de argón líquido criogénico para neutrinos en la fuente de neutrones de espalación, o SNS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.

El estudio, publicado en Cartas de revisión física , observó que los neutrinos de baja energía interactúan con un núcleo de argón a través de la fuerza nuclear débil en un proceso llamado dispersión de neutrinos-núcleo elástica coherente, o CEvNS, que se pronuncia "sietes". Como una pelota de ping-pong bombardeando una pelota de softbol, un neutrino que golpea un núcleo transfiere solo una pequeña cantidad de energía al núcleo mucho más grande, que retrocede casi imperceptiblemente en respuesta al pequeño asalto.

Sentar las bases para el descubrimiento realizado con el núcleo de argón fue un estudio de 2017 publicado en Ciencias en el que los colaboradores de COHERENT utilizaron el detector de neutrinos más pequeño del mundo para proporcionar la primera evidencia del proceso CEvNS a medida que los neutrinos interactuaban con núcleos de cesio y yoduro más grandes y pesados. Sus retrocesos eran aún más pequeños, como bolas de boliche que reaccionan a pelotas de ping-pong.

"El Modelo Estándar de Física de Partículas predice una dispersión elástica coherente de neutrinos fuera de los núcleos, "dijo la física de la Universidad de Duke Kate Scholberg, vocero y organizador de metas científicas y tecnológicas de COHERENT. La colaboración cuenta con 80 participantes de 19 instituciones y cuatro países. "Al ver la interacción de los neutrinos con el argón, el núcleo más ligero para el que se ha medido, confirma la observación anterior de núcleos más pesados. La medición del proceso establece con precisión restricciones sobre modelos teóricos alternativos ".

Yuri Efremenko, físico de la Universidad de Tennessee, Knoxville, y ORNL, que lideró el desarrollo de fotodetectores más sensibles, dijo, "El argón proporciona una especie de 'puerta'. El proceso CEvNS es como un edificio que sabemos que debería existir. La primera medición de sodio y yoduro fue una puerta que nos permitió entrar para explorar el edificio. Ahora hemos abierto esta otra puerta." Los datos de argón son consistentes con el modelo estándar dentro de las barras de error. Sin embargo, La mayor precisión que ofrecen los detectores más grandes puede permitir a los científicos ver algo nuevo. "Ver algo inesperado sería como abrir la puerta y ver tesoros fantásticos, "Añadió Efremenko.

"Estamos buscando formas de romper el modelo estándar. Nos encanta el modelo estándar; ha tenido mucho éxito. Pero hay cosas que simplemente no explica, "dijo el físico Jason Newby, Liderazgo de ORNL para COHERENT. "Sospechamos que en estos pequeños lugares donde el modelo podría fallar, respuestas a grandes preguntas sobre la naturaleza del universo, antimateria y materia oscura, por ejemplo, podría estar al acecho ".

El equipo de COHERENT utiliza la fuente de neutrones pulsados ​​más brillante del mundo en SNS para ayudar a encontrar las respuestas. Los neutrones que produce SNS para la investigación crean neutrinos como subproducto. Un corredor de servicio debajo del objetivo de mercurio del SNS se ha convertido en un laboratorio de neutrinos dedicado, apodado Neutrino Alley, bajo el liderazgo de Newby y Efremenko. 53 libras, o 24 kilogramos, detector llamado CENNS-10 se encuentra a 90 pies, o 27,5 metros, de una fuente de neutrinos de baja energía que optimiza las oportunidades para detectar interacciones coherentes. Esto significa que los neutrinos que se acercan ven la fuerza débil del núcleo como un todo, conduciendo a un efecto mayor en comparación con interacciones no coherentes.

Los detectores más grandes son mejores para realizar mediciones de alta precisión, y la tecnología del detector CENNS-10 es fácil de escalar simplemente agregando más argón líquido.

El detector CENNS-10 fue construido originalmente en Fermilab por el colaborador de COHERENT Jonghee Yoo. Él y Tayloe lo llevaron a IU y lo reelaboraron allí antes de que se instalara en SNS en 2016. Newby y Efremenko habían preparado el sitio del SNS con blindaje de capas de plomo, cobre y agua para eliminar los fondos de neutrones.

Después de que las mediciones iniciales indicaron que el experimento no estaría dominado por los antecedentes, Se aplicaron recubrimientos de cambio de longitud de onda a los fotodetectores y reflectores internos que mejoraron significativamente la recolección de luz. El detector se calibró inyectando criptón-83m en el argón líquido para permitir el cálculo del número de fotones presentes.

Los resultados publicados utilizaron 18 meses de datos recopilados de CENNS-10. El análisis de los datos reveló 159 eventos CEvNS, coherente con la predicción del modelo estándar.

Los datos de COHERENT ayudarán a los investigadores de todo el mundo a interpretar sus mediciones de neutrinos y probar sus teorías de posibles nuevas físicas. La huella digital calculable de las interacciones neutrino-núcleo predichas por el Modelo Estándar y vistas por COHERENT tiene aplicaciones prácticas, también. "Esta es una forma de medir la distribución de neutrones dentro de los núcleos y la densidad de las estrellas de neutrones, Efremenko dijo:"Es una contribución a la física nuclear y la astrofísica porque los procesos son muy similares".

Se necesitan diferentes tipos de detectores para estudios completos de neutrinos. Para promover el objetivo de observar CEvNS en una variedad de núcleos, un detector de 16 kilogramos basado en núcleos de germanio, que son más grandes que el argón pero más pequeños que el cesio y el yoduro, se instalará en Neutrino Alley el próximo año. Se ha instalado una serie de detectores de yoduro de sodio para aumentar el detector de yoduro de cesio que funciona allí desde 2017.

Mientras tanto, La recopilación de datos continúa las 24 horas del día, los 7 días de la semana a pesar de COVID-19 porque los colaboradores de COHERENT monitorean su detector de argón líquido de forma remota. Aspiran a ampliarlo a una escala de toneladas para ver 25 veces más eventos al año y permitir la observación de espectros de energía detallados que podrían revelar firmas de la nueva física. incluyendo la existencia de neutrinos estériles que no tienen una interacción débil y, por lo tanto, no demostraría una interacción coherente.

Finalmente, les gustaría agregar 10 toneladas aún más grandes, detector de argón líquido en la segunda estación objetivo del SNS. "Estamos impulsando la tecnología para que, en el futuro, podremos dar respuesta a preguntas que requieran mayor precisión, "Dijo Newby.