Um novo projeto do Departamento de Energia dos EUA para desenvolver o primeiro detector capaz de monitorar remotamente reatores nucleares também ajudará os físicos a testar a próxima geração de observatórios de neutrinos.

As reações nucleares produzem antineutrinos reveladores - a contraparte de antimatéria dos neutrinos. Os novos detectores serão projetados para medir a energia desses antineutrinos e a direção de onde eles vêm, permitindo o monitoramento de reatores a uma distância de 25 quilômetros para verificar acordos de não proliferação. Este projeto estabelecerá as bases para detectores maiores, capazes de monitorar as operações do reator a uma distância de várias centenas de quilômetros, ajudar as nações a rastrear ou restringir a produção de materiais físseis que podem ser usados ​​em armas nucleares.

Mas os físicos também estão interessados ​​em detectar neutrinos e antineutrinos para descobrir as leis básicas do universo, em particular para aprender por que o universo hoje é composto principalmente de matéria normal com muito pouca antimatéria, quando ambos deveriam ter sido feitos em quantidades iguais durante o Big Bang.

"Essas observações de neutrinos têm implicações muito amplas; elas podem nos ajudar a explicar como viemos a existir, "disse Gabriel Orebi Gann, um professor assistente de física e cientista da faculdade no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que é o investigador principal da UC Berkeley para o novo detector.

O projeto inicial é chamado Watchman, para WATer CHerenkov Monitor of ANtineutrinos, e será construído por uma grande colaboração entre pesquisadores nos Estados Unidos e no Reino Unido, liderado pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore. UC Berkeley e o Berkeley Lab são membros da colaboração, apelidado de Advanced Instrumentation Testbed, ou AIT, que é financiado pela Administração de Segurança Nuclear Nacional do DOE.

Sujeito à aprovação final pelas autoridades da mina, Watchman será construído no local do Laboratório Subterrâneo de Boulby, uma instalação científica subterrânea existente, financiada pelo governo do Reino Unido, operando em um potássio em funcionamento, polihalita e mina de sal (mina Boulby) localizada na costa nordeste da Inglaterra. Por seu início operacional projetado em 2023, será composto por 3, 500 toneladas de líquido, principalmente água misturada com o elemento gadolínio, que será ajustado para detectar interações de antineutrinos emitidos de um reator nuclear no complexo de Hartlepool a 25 quilômetros de distância.

Esses antineutrinos irão interagir com prótons no alvo de água para produzir pósitrons, os parceiros de antimatéria dos elétrons, que produzem luz no detector quando viajam mais rápido do que a velocidade da luz no líquido - o equivalente a um estrondo sônico, chamada luz Cherenkov. A intensidade da luz diz aos cientistas a energia desses pósitrons, que deve corresponder às previsões.

Neutrinos não são muito interativos

Neutrinos e antineutrinos estão entre as partículas mais elusivas da natureza, passando pelo material, incluindo toda a Terra, sem interagir com nenhum outro assunto. Eles viajam quase na velocidade da luz, e os cientistas que descobriram que eles têm uma pequena massa ganharam o Prêmio Nobel de Física em 2015.

Embora a primeira fase do Watchman use a tecnologia de detecção de hoje, a segunda fase implantará várias tecnologias avançadas para melhorar a sensibilidade a antineutrinos de baixa energia. Isso inclui cintiladores líquidos à base de água e fotossensores rápidos e concentradores de luz para permitir a discriminação entre flashes de luz separados por algumas centenas de picossegundos - 10 vezes melhor do que os obtidos pelos tubos fotomultiplicadores atuais.

"Esta demonstração estabelecerá as bases para detectores maiores que seriam necessários para monitorar ou descobrir pequenos reatores a distâncias de até várias centenas de quilômetros, "disse Adam Bernstein, Investigador principal do AIT e físico do LLNL.

Para Orebi Gann, AIT é uma oportunidade para testar novos e mais sensíveis detectores para um futuro observatório de neutrinos que foi chamado de Theia, após a deusa titã da luz. Theia está projetada para ter 50 anos, Tanque de 000 toneladas de cintilador líquido à base de água com metais radioativos adicionados para melhorar as interações de neutrinos e fotossensores rápidos, além de outra tecnologia de ponta.

"Estou muito animado para contribuir com a AIT e Watchman porque é um passo muito importante no caminho para Theia, "disse Orebi Gann, que esteve envolvido não apenas com o Observatório Sudbury Neutrino no Canadá, onde a massa de neutrino foi detectada pela primeira vez, mas também seu sucessor, SNO +.

O neutrino é sua própria antipartícula?

A principal questão da física dos neutrinos hoje é se o neutrino é sua própria partícula de antimatéria. Isso é, neutrino e antineutrino são a mesma coisa? Se isso fosse verdade, forneceria uma maneira de explicar a assimetria matéria-antimatéria no universo:permitiria a existência de novos e muito pesados ​​neutrinos que estariam por aí apenas após o Big Bang, e poderia ter decaído preferencialmente em matéria em vez de antimatéria.

"Se não vermos, se virmos que os neutrinos não são suas próprias antipartículas, que é igualmente grande, porque isso diz que há outra coisa que diferencia a matéria da antimatéria além da carga elétrica, "Orebi Gann disse, "que existe alguma outra simetria que não conhecemos que diferencia o neutrino do antineutrino."

O teste principal está nas observações do decaimento beta duplo, a forma mais rara de decaimento radioativo em que dois nêutrons no núcleo de um átomo decaem espontaneamente, cada um criando um próton, um elétron e um antineutrino. Se neutrinos e antineutrinos são a mesma partícula, em alguns casos desse evento raro, os dois neutrinos / antineutrinos aniquilariam um ao outro dentro do núcleo e os experimentadores não veriam nenhum antineutrino emergindo.

Assim, os físicos estão procurando por eventos - os chamados decaimentos beta duplos sem neutrinos - envolvendo dois elétrons energéticos que transportam toda a energia do decaimento beta duplo, e nada mais.

SNO + emprega um alvo cintilador líquido que produz cerca de 50 vezes mais luz à medida que os elétrons passam do que a produzida pelo efeito Cherenkov, aumentando assim as chances de detecção do decaimento beta duplo sem neutrinos. O objetivo do Advanced Instrumentation Testbed, em particular a fase 2, é testar uma combinação de detecção Cherenkov e cintilação para o detector de neutrino de próxima geração, Theia.

"Com Theia, queremos combinar os benefícios de um meio-alvo que produz muita luz, como cintilação, com um meio em que também podemos ver a luz Cherenkov - a luz direcional, "Orebi Gann disse." Juntos, eles vão te dar um direcional, detector de baixo limiar que produz uma fantástica discriminação sinal-fundo para uma ampla gama de física de neutrinos, bem como tópicos interessantes, como o decaimento de prótons. "

Embora o foco de Watchman seja a não proliferação, também seria capaz de detectar rajadas de antineutrino de supernovas, e talvez neutrinos produzidos na própria Terra, os chamados geoneutrinos.

"Vigia, e mais amplamente o AIT, oferecem exemplos da poderosa sinergia que pode ser obtida quando as ferramentas desenvolvidas para a ciência básica são aplicadas em contextos de não proliferação, "Bernstein disse.