Il rivelatore PROSPECT sarà costituito da un array 11 x 14 di lunghe celle sottili riempite con scintillatore liquido, che è progettato per rilevare gli antineutrini emanati dal nocciolo del reattore. Se esiste un sapore di neutrino sterile, quindi PROSPECT vedrà ondate di antineutrini che appaiono e scompaiono con un periodo determinato dalla loro energia. Composizione non disegnata in scala. Le singole cellule stesse (in alto a destra) sono riempite con una miscela liquida non convenzionale parzialmente sviluppata dal NIST. Oltre a contenere una soluzione scintillante disponibile in commercio che trasforma i colpi in luce, il liquido è drogato con ioni di litio, che permette ai ricercatori di catturare i segnali antineutrino in un rivelatore di dimensioni relativamente piccole. Credito:Sean Kelley/NIST
Ultimamente, neutrini – i minuscoli, particelle quasi prive di massa che molti scienziati studiano per comprendere meglio il funzionamento fondamentale dell'universo, hanno posto un problema ai fisici.
Sanno che queste particelle sono prodotte in numero immenso da reazioni nucleari come quelle che avvengono all'interno del nostro sole. Sanno anche che i neutrini non interagiscono molto spesso con la materia; miliardi di loro sono passati per la tua mano nel tempo che hai impiegato per leggere questa frase.
Ma in una serie di esperimenti in tutto il mondo, i ricercatori stanno riscontrando un deficit nel numero di neutrini che vedono rispetto a quello che si aspettano di vedere, basata sulla teoria. E questo non ha nulla a che fare con lo spostamento avanti e indietro tra i tre sapori del neutrino che anche i fisici già conoscono.
Una possibile spiegazione è che esiste un quarto tipo di neutrino che non è stato rilevato. Si chiama neutrino sterile. E gli scienziati del NIST inizieranno a cercarlo l'anno prossimo come parte del Precision Oscillation and Spectrum Experiment (PROSPECT), una collaborazione che coinvolge 68 scienziati e ingegneri provenienti da 10 università e quattro laboratori nazionali.
"Questo è potenzialmente un esperimento di scoperta, " dice Pieter Mumm del NIST, chi è co-fondatore e co-portavoce del progetto, insieme a Karsten Heeger della Yale University e Nathaniel Bowden del Lawrence Livermore National Laboratory. Scoprire una nuova particella sarebbe "super eccitante, " lui continua, perché un nuovo tipo di neutrino non fa parte del Modello Standard della fisica, la spiegazione ben controllata per l'universo come lo conosciamo.
Per trovare la nuova particella o confutare definitivamente la sua esistenza, la collaborazione PROSPECT si sta preparando a costruire un rivelatore unico nel suo genere per esperimenti di neutrini a corto raggio, utilizzando un reattore nucleare come sorgente di neutrini.
Primo, un antineutrino elettronico (v̄e) interagisce con un protone (p) nello scintillatore liquido che riempie ogni cella del rivelatore, creando un positrone (e+) e un neutrone (n). Prossimo, il neutrone vaga nel liquido e viene quindi catturato dagli ioni di litio nel liquido, producendo due particelle pesanti:un trizio (3H) e un alfa (α). A destra:la firma che un antineutrino elettronico è stato "catturato" è quindi una doppia esplosione di luce:una grande dal positrone, seguito decine di microsecondi dopo da uno leggermente più piccolo delle due particelle pesanti. Credito:Sean Kelley/NIST
Il lavoro non solo poteva far luce sulla nuova fisica, ma potrebbe anche fornire ai ricercatori un nuovo strumento per monitorare e salvaguardare i reattori nucleari.
PROSPETTIVE per i neutrini
A differenza di altri esperimenti sui neutrini, che in genere osservano le oscillazioni tra i tre sapori noti su distanze di chilometri o centinaia di chilometri, PROSPECT esaminerà le oscillazioni dei neutrini in pochi metri, lo spazio di una piccola stanza. La distanza è troppo breve per vedere oscillazioni tra i sapori conosciuti. Ma è esattamente la scala giusta per le ipotizzate oscillazioni del neutrino sterile.
Questa configurazione "ti dà una firma assolutamente di ferro, " Mumm dice. "Se vedi quella variazione, quella caratteristica oscillazione, c'è solo una spiegazione per questo. Devono essere neutrini sterili".
Il rivelatore stesso sarà di circa 4,5 metri cubi e sarà composto da una serie di 11 per 14 di lunghe "celle" sottili impilate l'una sull'altra [vedi diagramma], con una risoluzione spaziale attesa di circa 10 centimetri cubi. Come fonte di neutrini, Il PROSPETTO utilizzerà il reattore isotopico ad alto flusso presso l'Oak Ridge Laboratory nel Tennessee. L'esperimento sarà posizionato il più vicino possibile al nocciolo del reattore stesso, a soli 7 metri (circa 20 piedi) di distanza.
Il PROSPETTO non vedrà direttamente i neutrini sterili. Piuttosto, rileverà un particolare tipo di neutrino che viene regolarmente prodotto nei reattori nucleari:l'antineutrino di tipo elettronico.
Una coppia di celle prototipo in costruzione in una camera bianca. Credito:per gentile concessione della collaborazione PROSPETTO
Per identificare un antineutrino elettronico, i ricercatori cercheranno un segnale particolare nella luce. Ogni cella del rivelatore è riempita con un materiale scintillante. Ciò significa che l'energia viene convertita in luce, che viene amplificato e raccolto da una coppia di tubi fotomoltiplicatori su ciascuna cella.
Quando un neutrino colpisce un protone nel liquido che riempie le cellule, crea nuove particelle che depositano energia all'interno del rivelatore. Queste particelle figlie formano una firma che dice ai ricercatori che una volta c'era un neutrino (vedi diagramma sopra).
"Quello che stiamo effettivamente percependo è la luce emessa dallo scintillatore liquido, " dice Mumm. Il segnale che stanno cercando è "qualcosa che sembra un positrone, seguito al momento opportuno [decine di microsecondi, o milionesimi di secondo] da qualcosa che sembra una cattura di neutroni."
Prossimi passi
Finora, la collaborazione ha realizzato una serie di prototipi, tra cui una coppia di celle costruite in scala, e sta eseguendo simulazioni per convalidare i modelli che stanno utilizzando per separare il segnale dagli sfondi elevati che si aspettano. Grazie alle sovvenzioni del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e della Fondazione Heising-Simons quest'estate, hanno iniziato a costruire fisicamente il rilevatore.
Il PROSPETTO dovrebbe rispondere alla domanda se ci siano o meno neutrini sterili entro tre anni, dice la mamma. Nel frattempo, il lavoro della collaborazione ha alcune ricadute potenzialmente rivoluzionarie per la fisica dei reattori. Per esempio, gli scienziati potrebbero potenzialmente utilizzare questa tecnologia per progettare un dispositivo per monitorare le operazioni del reattore da remoto.
"Puoi immaginare, almeno mi sembra, che questo potrebbe essere uno strumento piuttosto potente nelle giuste circostanze, " Dice Mumm. "Non puoi schermare i neutrini. Non c'è modo di falsificarlo".
