Nel 1974, un fisico del Fermilab ha predetto un nuovo modo per le particelle spettrali chiamate neutrini di interagire con la materia. Più di quattro decenni dopo, un team di fisici guidato da UChicago ha costruito il rivelatore di neutrini più piccolo al mondo per osservare per la prima volta l'interazione sfuggente.

I neutrini sono una sfida da studiare perché le loro interazioni con la materia sono così rare. Particolarmente sfuggente è stata la cosiddetta diffusione elastica coerente del neutrino-nucleo, che si verifica quando un neutrino si stacca dal nucleo di un atomo.

La collaborazione internazionale COHERENT, che include fisici a UChicago, rilevato il processo di dispersione utilizzando un rilevatore che è abbastanza piccolo e leggero da poter essere trasportato da un ricercatore. Le loro scoperte, che confermano la teoria di Daniel Freedman del Fermilab, sono stati riportati il ​​3 agosto sulla rivista Scienza .

"Perché ci sono voluti 43 anni per osservare questa interazione?" ha chiesto il co-autore Juan Collar, Professore di fisica a Chicago. "Ciò che accade è molto sottile." Freedman non vedeva molte possibilità di conferma sperimentale, scrivendo all'epoca:"Il nostro suggerimento potrebbe essere un atto di arroganza, perché gli inevitabili vincoli della velocità di interazione, risoluzione e sfondo pongono gravi difficoltà sperimentali."

Quando un neutrino urta il nucleo di un atomo, crea un minuscolo, rinculo appena misurabile. Realizzare un rivelatore con elementi pesanti come lo iodio, il cesio o lo xeno aumentano notevolmente la probabilità di questa nuova modalità di interazione dei neutrini, rispetto ad altri processi. Ma c'è un compromesso, poiché i minuscoli rinculo nucleari che ne risultano diventano più difficili da rilevare man mano che il nucleo diventa più pesante.

"Immagina che i tuoi neutrini siano palline da ping-pong che colpiscono una palla da bowling. Daranno solo un piccolo slancio in più a questa palla da bowling, " ha detto Collare.

Per rilevare quel piccolo rinculo, Collar e colleghi hanno scoperto che un cristallo di ioduro di cesio drogato con sodio era il materiale perfetto. La scoperta ha portato gli scienziati a gettare a mare il pesante, rivelatori giganteschi comuni nella ricerca di neutrini per uno di dimensioni simili a un tostapane.

Nessun laboratorio gigantesco

Il rivelatore da 4 pollici per 13 pollici utilizzato per produrre il Scienza risultati pesa solo 32 libbre (14,5 chilogrammi). In confronto, gli osservatori di neutrini più famosi del mondo sono dotati di migliaia di tonnellate di materiale rivelatore.

"Non devi costruirci intorno un gigantesco laboratorio, " ha detto il dottorando di Chicago Bjorn Scholz, la cui tesi conterrà il risultato riportato nel Scienza carta. "Possiamo ora pensare di costruire altri piccoli rilevatori che possano poi essere utilizzati, ad esempio per monitorare il flusso di neutrini nelle centrali nucleari. Hai appena messo un bel rilevatore all'esterno, e puoi misurarlo in situ."

Fisici del neutrino, nel frattempo, sono interessati a utilizzare la tecnologia per comprendere meglio le proprietà della misteriosa particella.

"I neutrini sono una delle particelle più misteriose, " Collar ha detto. "Ignoriamo molte cose su di loro. Sappiamo che hanno massa, ma non sappiamo esattamente quanto."

Attraverso la misurazione della dispersione elastica coerente del neutrino-nucleo, i fisici sperano di rispondere a queste domande. La Collaborazione COHERENT Scienza carta, Per esempio, impone limiti ai nuovi tipi di interazioni neutrino-quark che sono stati proposti.

I risultati hanno anche implicazioni nella ricerca di particelle massicce a interazione debole. Le WIMP sono particelle candidate per la materia oscura, che è materiale invisibile di composizione sconosciuta che rappresenta l'85 percento della massa dell'universo.

"Quello che abbiamo osservato con i neutrini è lo stesso processo che dovrebbe essere in gioco in tutti i rivelatori WIMP che abbiamo costruito, " ha detto Collare.

vicolo del neutrino

La Collaborazione COERENTE, che coinvolge 90 scienziati in 18 istituzioni, ha condotto la sua ricerca per la diffusione coerente dei neutrini presso la Spallation Neutron Source presso l'Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. I ricercatori hanno installato i loro rilevatori in un corridoio seminterrato che divenne noto come "vicolo dei neutrini". Questo corridoio è pesantemente schermato da ferro e cemento dall'area bersaglio del raggio di neutroni altamente radioattivo, a soli 20 metri (meno di 25 iarde) di distanza.

Questo vicolo di neutrini ha risolto un grosso problema per il rilevamento dei neutrini:scherma quasi tutti i neutroni generati dalla Spallation Neutron Source, ma i neutrini possono ancora raggiungere i rivelatori. Ciò consente ai ricercatori di vedere più chiaramente le interazioni dei neutrini nei loro dati. Altrove sarebbero facilmente soffocati dai rilevamenti di neutroni più importanti.

La Spallation Neutron Source genera i fasci di neutroni pulsati più intensi al mondo per la ricerca scientifica e lo sviluppo industriale. Nel processo di generazione di neutroni, il SNS produce anche neutrini, anche se in quantità minori.

"Potresti usare un tipo più sofisticato di rivelatore di neutrini, ma non il tipo giusto di sorgente di neutrini, e non vedresti questo processo, " Ha detto Collar. "È stato il matrimonio tra la sorgente ideale e il rivelatore ideale che ha fatto funzionare l'esperimento".

Due degli ex studenti laureati di Collar sono coautori del documento Science:Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, ora assistente professore di fisica alla Duke University; e Nicole Campi, PhD'15, ora fisico sanitario con la Commissione di regolamentazione nucleare degli Stati Uniti a Chicago.

Lo sviluppo di un rivelatore di neutrini compatto porta a compimento un'idea che l'alunno di UChicago Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, proposto nel 1984. Stodolsky e Andrzej Drukier, entrambi dell'Istituto Max Planck di fisica e astrofisica in Germania, notato che un rivelatore coerente sarebbe relativamente piccolo e compatto, a differenza dei più comuni rivelatori di neutrini contenenti migliaia di galloni di acqua o scintillatore liquido. Nel loro lavoro, hanno previsto l'arrivo di future tecnologie di neutrini rese possibili dalla miniaturizzazione dei rivelatori.

Scholz, lo studente laureato UChicago, ha salutato gli scienziati che hanno lavorato per decenni per creare la tecnologia che è culminata nel rilevamento della diffusione coerente dei neutrini.

"Non riesco a capire come devono sentirsi ora che è stato finalmente rilevato, e hanno raggiunto uno dei loro obiettivi di vita, " Scholz ha detto. "Sono arrivato alla fine della gara. Dobbiamo sicuramente dare credito a tutto il lavoro straordinario che le persone hanno fatto prima di noi".