L'esperimento di fisica delle particelle COHERENT presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia ha stabilito fermamente l'esistenza di un nuovo tipo di interazione di neutrini. Poiché i neutrini sono elettricamente neutri e interagiscono solo debolmente con la materia, la ricerca per osservare questa interazione ha guidato i progressi nella tecnologia dei rivelatori e ha aggiunto nuove informazioni alle teorie che mirano a spiegare i misteri del cosmo.

"Si pensa che il neutrino sia al centro di molte domande aperte sulla natura dell'universo, " ha detto il professore di fisica dell'Università dell'Indiana Rex Tayloe. Ha guidato l'installazione, funzionamento e analisi dei dati di un rivelatore criogenico di argon liquido per neutrini presso la Spallation Neutron Source, o SNS, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL.

Lo studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , osservato che i neutrini a bassa energia interagiscono con un nucleo di argon attraverso la forza nucleare debole in un processo chiamato scattering neutrino-nucleo elastico coerente, o CEvNS, che si pronuncia "sette". Come una pallina da ping-pong che bombarda una palla da softball, un neutrino che colpisce un nucleo trasferisce solo una piccola quantità di energia al nucleo molto più grande, che si ritrae quasi impercettibilmente in risposta al minuscolo assalto.

A gettare le basi per la scoperta fatta con il nucleo di argon è stato uno studio del 2017 pubblicato su Scienza in cui i collaboratori di COHERENT hanno utilizzato il rivelatore di neutrini più piccolo al mondo per fornire la prima prova del processo CEvNS poiché i neutrini interagivano con nuclei di cesio e ioduro più grandi e pesanti. I loro rinculo erano ancora più piccoli, come le palle da bowling che reagiscono alle palline da ping-pong.

"Il modello standard della fisica delle particelle prevede una diffusione elastica coerente dei neutrini fuori dai nuclei, ", ha affermato la fisica della Duke University Kate Scholberg, portavoce e organizzatore degli obiettivi scientifici e tecnologici di COHERENT. La collaborazione conta 80 partecipanti provenienti da 19 istituzioni e quattro paesi. "Vedendo l'interazione del neutrino con l'argon, il nucleo più leggero per il quale è stato misurato, conferma la precedente osservazione da nuclei più pesanti. La misurazione del processo stabilisce con precisione i vincoli sui modelli teorici alternativi."

Yuri Efremenko, un fisico all'Università del Tennessee, Knoxville, e ORNL che ha guidato lo sviluppo di fotorivelatori più sensibili, disse, "L'argon fornisce una sorta di 'porta'. Il processo CEvNS è come un edificio che sappiamo dovrebbe esistere. La prima misurazione su sodio e ioduro è stata una porta che ci ha permesso di esplorare l'edificio. Ora abbiamo aperto quest'altro argon porta." I dati dell'argon sono coerenti con il modello standard all'interno delle barre di errore. Però, una maggiore precisione consentita da rivelatori più grandi potrebbe consentire agli scienziati di vedere qualcosa di nuovo. "Vedere qualcosa di inaspettato sarebbe come aprire la porta e vedere tesori fantastici, " ha aggiunto Efremenko.

"Stiamo cercando modi per rompere il Modello Standard. Amiamo il Modello Standard; ha avuto molto successo. Ma ci sono cose che semplicemente non spiega, " ha detto il fisico Jason Newby, Il vantaggio di ORNL per COHERENT. "Sospettiamo che in questi piccoli luoghi in cui il modello potrebbe rompersi, risposte a grandi domande sulla natura dell'universo, antimateria e materia oscura, ad esempio, potrebbe restare in attesa."

Il team COHERENT utilizza la sorgente di neutroni pulsati più brillante al mondo presso SNS per aiutare a trovare le risposte. I neutroni prodotti da SNS per la ricerca creano neutrini come sottoprodotto. Un corridoio di servizio al di sotto del bersaglio di mercurio SNS è stato convertito in un laboratorio di neutrini dedicato, soprannominato Neutrino Alley, sotto la guida di Newby ed Efremenko. Un 53 libbre, o 24 chilogrammi, il rilevatore chiamato CENNS-10 si trova a 90 piedi, o 27,5 metri, da una sorgente di neutrini a bassa energia che ottimizza le opportunità di individuare interazioni coerenti. Questo significa avvicinarsi ai neutrini vedere la forza debole del nucleo nel suo insieme, portando ad un effetto maggiore rispetto alle interazioni non coerenti.

I rivelatori più grandi sono migliori per effettuare misurazioni di alta precisione, e la tecnologia del rilevatore CENNS-10 è facile da ampliare semplicemente aggiungendo più argon liquido.

Il rivelatore CENNS-10 è stato originariamente costruito al Fermilab dal collaboratore di COHERENT Jonghee Yoo. Lui e Tayloe lo hanno portato a IU e lo hanno rielaborato lì prima che fosse installato presso SNS nel 2016. Newby ed Efremenko avevano preparato il sito SNS con schermatura di piombo a strati, rame e acqua per eliminare i fondi di neutroni.

Dopo che le misurazioni iniziali hanno indicato che l'esperimento non sarebbe stato dominato dallo sfondo, Ai fotorilevatori e ai riflettori interni sono stati applicati rivestimenti che cambiano la lunghezza d'onda, migliorando notevolmente la raccolta della luce. Il rivelatore è stato calibrato iniettando krypton-83m nell'argon liquido per consentire il calcolo del numero di fotoni presenti.

I risultati pubblicati hanno utilizzato 18 mesi di dati raccolti da CENNS-10. L'analisi dei dati ha rivelato 159 eventi CEvNS, coerente con la previsione del Modello Standard.

I dati di COHERENT aiuteranno i ricercatori di tutto il mondo a interpretare le misurazioni dei loro neutrini ea testare le loro teorie su una possibile nuova fisica. L'impronta digitale calcolabile delle interazioni neutrino-nucleo prevista dal Modello Standard e vista da COHERENT ha applicazioni pratiche, pure. "Questo è un modo per misurare la distribuzione dei neutroni all'interno dei nuclei e la densità delle stelle di neutroni, " Ha detto Efremenko. "È un contributo alla fisica nucleare e all'astrofisica perché i processi sono molto simili".

Diversi tipi di rivelatori sono necessari per studi completi sui neutrini. Per promuovere l'obiettivo di osservare CEvNS su una varietà di nuclei, un rivelatore da 16 chilogrammi basato su nuclei di germanio, che sono più grandi dell'argon ma più piccoli del cesio e dello ioduro, sarà installato a Neutrino Alley il prossimo anno. Una serie di rilevatori di ioduro di sodio è stata installata per aumentare il rilevatore di ioduro di cesio in funzione dal 2017.

Nel frattempo, la raccolta dei dati continua 24 ore su 24, 7 giorni su 7, nonostante il COVID-19, perché i collaboratori di COHERENT monitorano il loro rilevatore di argon liquido da remoto. Aspirano ad ingrandirlo su una scala di tonnellate per vedere 25 volte più eventi all'anno e consentire l'osservazione di spettri energetici dettagliati che potrebbero rivelare le firme della nuova fisica, compresa l'esistenza di neutrini sterili che non hanno interazione debole e, perciò, non dimostrerebbe un'interazione coerente.

Infine, vorrebbero aggiungere 10 tonnellate ancora più grandi, rivelatore di argon liquido presso la seconda stazione di destinazione di SNS. "Stiamo spingendo sulla tecnologia in modo che, nel futuro, saremo in grado di rispondere a domande che richiedono maggiore precisione, " ha detto Newby.