Tranne nei film dell'orrore, la maggior parte degli esperimenti scientifici non inizia con gli scienziati che curiosano in giro, corridoi deserti. Ma una posizione nascosta nei recessi dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) ha fornito esattamente ciò che Yuri Efremenko stava cercando.

Efremenko, un ricercatore ORNL e professore dell'Università del Tennessee a Knoxville, è il portavoce dell'esperimento COHERENT, che sta studiando i neutrini. Il team utilizza cinque rilevatori di particelle per identificare un'interazione specifica tra neutrini e nuclei atomici. Le particelle più abbondanti nell'universo, i neutrini sono estremamente leggeri e non hanno carica elettrica. Interagiscono molto poco con altre particelle. Infatti, trilioni passano attraverso la Terra ogni secondo, senza lasciare alcuna impressione. Inutile dire, sono notoriamente difficili da rilevare.

All'inizio, il team ha esaminato un'area vivace vicino alla Spallation Neutron Source (SNS), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso l'ORNL in Tennessee. I neutroni prodotti dal SNS guidano 18 diversi strumenti che circondano il SNS come i raggi di una ruota. Il SNS produce anche neutrini, che volano via in tutte le direzioni dal bersaglio dell'acceleratore di particelle. Ma mettere i rivelatori di neutrini sullo stesso piano del SNS esporrebbe i dispositivi a particelle di fondo che aumenterebbero le incertezze.

"Siamo stati davvero fortunati ad andare nel seminterrato un giorno, "ha detto David Dean, Direttore della Divisione di Fisica dell'ORNL. Dopo aver spostato di lato alcuni barili d'acqua e aver condotto dei test in background, erano in affari. La posizione del seminterrato proteggerebbe le macchine dall'esposizione alle particelle di fondo. Una volta che gli scienziati hanno installato i rivelatori dell'esperimento, hanno soprannominato il corridoio "Vicolo Neutrino".

L'esperimento, chiamato COERENTE, pone un netto contrasto con la maggior parte degli altri esperimenti sui neutrini. Per intravedere queste minuscole particelle, la maggior parte degli esperimenti utilizza macchine incredibilmente grandi, spesso in località remote. Uno si trova al Polo Sud, mentre un altro spara raggi di neutrino per centinaia di miglia a un rivelatore lontano. Oltre alla sua posizione mondana, Il rilevatore principale di COHERENT è appena più grande di una lattiera. Infatti, è il più piccolo rivelatore di neutrini funzionante al mondo.

Ma COHERENT e un esperimento gemello all'ORNL, PROSPETTIVA, stanno dimostrando che gli esperimenti sui neutrini non devono essere enormi per fare grandi scoperte. Questi due modesti esperimenti supportati dall'Office of Science del DOE sono pronti a colmare alcune importanti lacune nella nostra comprensione di questa strana particella.

I misteri del neutrino

Mentre i neutrini sono alcune delle particelle più piccole dell'universo, indagarli può rivelare intuizioni enormi.

"I neutrini ci dicono moltissimo su come l'universo viene creato e tenuto insieme, " ha detto Nathaniel Bowden, uno scienziato presso il Lawrence Livermore National Laboratory del DOE e co-portavoce di PROSPECT. "Non c'è altro modo per rispondere a molte delle domande che ci troviamo ad avere". Capire come interagiscono i neutrini può anche aiutarci a capire perché la materia, e tutto ciò che ne è composto, esiste.

Ma i neutrini non hanno reso facile rispondere a queste domande. Esistono tre diversi tipi di neutrini, ognuno dei quali si comporta in modo diverso. Inoltre, cambiano tipo mentre viaggiano. Alcuni scienziati hanno proposto una particella non ancora vista chiamata neutrino sterile. I fisici teorizzano che se esistono neutrini sterili, interagirebbero con altre particelle anche meno di quelle normali. Ciò li renderebbe quasi impossibili da rilevare.

Ma questo è un grande "se". Un neutrino sterile sarebbe la prima particella non prevista dal Modello Standard, riassunto dei fisici su come funziona l'universo.

"I neutrini potrebbero contenere la chiave per scoprire la fisica delle particelle oltre il Modello Standard, " ha detto Karsten Heeger, un professore della Yale University e co-portavoce di PROSPECT.

Ricerca di una risposta coerente con COHERENT

Un team di scienziati dell'ORNL, altri laboratori nazionali DOE, e le università hanno progettato l'esperimento COHERENT per identificare un'interazione specifica tra neutrini e nuclei. Mentre i fisici avevano previsto questa interazione più di 40 anni fa, non l'avevano mai rilevata.

La maggior parte dei neutrini interagisce solo con singoli protoni e neutroni. Ma se l'energia di un neutrino è abbastanza bassa, dovrebbe interagire con un intero nucleo piuttosto che con le sue singole parti. I teorici hanno proposto che quando un neutrino a bassa energia si avvicina a un nucleo, le due particelle si scambiano una particella elementare chiamata bosone Z. Quando il neutrino rilascia il bosone Z, il neutrino rimbalza via. Quando il nucleo riceve il bosone Z, il nucleo si contrae leggermente. Questa interazione è chiamata scattering elastico coerente di neutrini-nuclei.

Poiché la maggior parte dei nuclei è molto più grande dei singoli protoni o neutroni, gli scienziati dovrebbero vedere questo tipo di interazione più frequentemente delle interazioni guidate da neutrini a energia più elevata. "Vedendo" la minuscola energia di rinculo, I rivelatori di COHERENT delle dimensioni di un gallone consentono agli scienziati di studiare le proprietà dei neutrini.

"E 'bello che tu possa effettivamente vedere un'interazione di neutrini con qualcosa che puoi tenere in mano, "ha detto Kate Scholberg, un professore della Duke University e collaboratore di COHERENT.

Ma niente di tutto questo sarebbe possibile senza l'SNS di ORNL. I neutrini prodotti dal SNS passano attraverso cemento e ghiaia per raggiungere il seminterrato dell'ORNL. Hanno l'energia giusta per indurre questa particolare interazione. Il raggio pulsato del SNS consente inoltre agli scienziati di filtrare il "rumore" di fondo da altre particelle.

"C'è un bel flusso di neutrini che è stato sprecato, al SNS, per così dire. È la fonte perfetta per una dispersione coerente:il pigiama del gatto, " disse Juan Collar, un professore e collaboratore dell'Università di Chicago su COHERENT.

Dopo aver corso per 15 mesi, COHERENT ha catturato neutrini nell'atto di consegnare i bosoni Z 134 volte.

Guardando oltre la spalla del suo studente laureato mentre sgranocchiava i dati, Collar è stato entusiasta di vedere che i risultati sono stati esattamente come previsto. "Quando alla fine abbiamo esaminato gli elaborati, set di dati completo, siamo andati 'wheeeeeee!'", ha detto.

La misurazione di questo fenomeno, la diffusione elastica del neutrino-nucleo, offre ai fisici uno strumento nuovo e versatile per comprendere i neutrini.

"Ha aperto la nostra finestra per cercare la fisica oltre il Modello Standard, " disse Efremenko.

Utilizzando questa interazione, gli scienziati potrebbero essere in grado di capire meglio come le supernove esplodono e producono neutrini.

Sebbene questi rivelatori siano utilizzati principalmente per la ricerca fondamentale, le loro ridotte dimensioni potrebbero essere utili anche per altre applicazioni. I reattori nucleari producono diversi tipi e quantità di neutrini, a seconda che producano energia o materiale per armi. Un rivelatore piccolo come quello di COHERENT potrebbe rendere molto più semplice lo sforzo di monitorare gli impianti nucleari.

Trovare la precisione con PROSPECT

Mentre COHERENT cercava un fenomeno specifico, l'esperimento PROSPECT si concentrerà sull'esecuzione di misurazioni incredibilmente precise dei neutrini da un reattore nucleare mentre cambiano tipo. Gli esperimenti passati sui reattori nucleari hanno portato a misurazioni che si discostano dalla teoria. Il team PROSPECT ha progettato un esperimento in grado di esplorare eventuali discrepanze, eliminare possibili fonti di errore, o anche scoprire il neutrino sterile.

Rispetto ai precedenti esperimenti sui reattori a neutrini, PROSPECT sarà in grado di misurare con maggiore precisione il numero e il tipo di neutrini, la distanza percorsa dal reattore, e la loro energia. PROSPECT differisce da altri esperimenti in quanto il suo rivelatore ha più sezioni invece di una singola camera. Ciò consente agli scienziati di misurare e confrontare varie lunghezze di oscillazione dei neutrini, ovvero a che distanza dal reattore i neutrini stanno cambiando tipo.

Se esistono neutrini sterili, questo design del rivelatore può anche consentire agli scienziati di osservare la transizione dei neutrini regolari in neutrini sterili. In teoria, questa nuova forma di neutrini dovrebbe apparire a una distanza specifica dal nucleo del rivelatore.

Il reattore isotopico ad alto flusso (HFIR), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso l'ORNL, fornirà a PROSPECT i suoi neutrini. I reattori nucleari commerciali utilizzano una varietà di combustibili di uranio e plutonio con diverse combinazioni di isotopi. Ciò si traduce in un ampio spettro di energie di neutrini. Ciò rende difficile individuare quali isotopi producono quali neutrini. Come reattore di ricerca, HFIR utilizza solo un isotopo dell'uranio:l'uranio-235. Misurando gli antineutrini di quel singolo isotopo, il team di PROSPECT può capire meglio come tutti i reattori nucleari producono neutrini.

Gli scienziati della collaborazione PROSPECT hanno recentemente terminato la costruzione di un rivelatore presso il Wright Laboratory della Yale University. Mentre la regione del rilevatore attivo è molto più grande del rilevatore delle dimensioni di una lattiera di COHERENT, è ancora largo solo quattro piedi e pesa circa cinque tonnellate. Rispetto ai rilevatori che pesano migliaia di tonnellate, anche questo esperimento funziona sul lato piccolo. Una volta completato e in atto il PROSPETTO, ci vorranno dati per tre anni.

Mentre questi esperimenti sembrano in miniatura rispetto ad altri, potrebbero rivelare risposte sui neutrini che da decenni si nascondono ai fisici. Potrebbe essere solo una questione di scienziati che sanno dove e come guardare, anche se si trova in un corridoio di stoccaggio apparentemente ordinario.