O detector PROSPECT consistirá em uma série de 11 x 14 células longas e magras cheias de cintilador líquido, que é projetado para detectar antineutrinos emanando do núcleo do reator. Se houver um sabor de neutrino estéril, então o PROSPECT verá ondas de antineutrinos que aparecem e desaparecem com um período determinado por sua energia. Composição não desenhada em escala. As próprias células individuais (canto superior direito) são preenchidas com uma mistura líquida não convencional parcialmente desenvolvida pelo NIST. Além de conter uma solução cintilante disponível comercialmente que transforma impactos em luz, o líquido é dopado com íons de lítio, que permite aos pesquisadores capturar os sinais antineutrino em um detector de tamanho relativamente pequeno. Crédito:Sean Kelley / NIST
Recentemente, neutrinos - os minúsculos, partículas quase sem massa que muitos cientistas estudam para entender melhor o funcionamento fundamental do universo - têm representado um problema para os físicos.
Eles sabem que essas partículas são produzidas em números imensos por reações nucleares, como as que ocorrem em nosso sol. Eles também sabem que os neutrinos não interagem muito frequentemente com a matéria; bilhões deles passaram por sua mão no tempo que você levou para ler esta frase.
Mas em uma série de experimentos em todo o mundo, os pesquisadores estão descobrindo um déficit no número de neutrinos que veem em relação ao que esperam ver, com base na teoria. E isso não tem nada a ver com a alternância entre os três sabores de neutrino que os físicos também já conhecem.
Uma possível explicação é que existe um quarto tipo de neutrino que não foi detectado. É conhecido como neutrino estéril. E os cientistas do NIST começarão a procurá-lo no próximo ano como parte do experimento de oscilação e espectro de precisão (PROSPECT), uma colaboração envolvendo 68 cientistas e engenheiros de 10 universidades e quatro laboratórios nacionais.
"Este é potencialmente um experimento de descoberta, "diz Pieter Mumm do NIST, que é cofundador e co-porta-voz do projeto, junto com Karsten Heeger na Yale University e Nathaniel Bowden no Lawrence Livermore National Laboratory. Descobrir uma nova partícula seria "super empolgante, " ele continua, porque um novo tipo de neutrino não faz parte do modelo padrão da física, a explicação bem avaliada para o universo como o conhecemos.
Para encontrar a nova partícula ou refutar definitivamente a sua existência, a colaboração PROSPECT está se preparando para construir um detector inédito para experimentos de neutrino de curto alcance, usando um reator nuclear como fonte de neutrino.
Primeiro, um antineutrino de elétron (v̄e) interage com um próton (p) no cintilador líquido que preenche cada célula no detector, criando um pósitron (e +) e um nêutron (n). Próximo, o nêutron vagueia no líquido e é então capturado por íons de lítio no líquido, produzindo duas partículas pesadas:um trítio (3H) e um alfa (α). À direita:a assinatura de que um antineutrino de elétron foi "capturado" é, portanto, uma explosão dupla de luz:uma grande do pósitron, seguido dezenas de microssegundos depois por um ligeiramente menor das duas partículas pesadas. Crédito:Sean Kelley / NIST
O trabalho não pode apenas lançar luz sobre a nova física, mas também pode dar aos pesquisadores uma nova ferramenta para monitorar e proteger os reatores nucleares.
PROSPECTING for Neutrinos
Ao contrário de outros experimentos de neutrino, que normalmente olham para as oscilações entre os três sabores conhecidos em distâncias de quilômetros ou centenas de quilômetros, O PROSPECT analisará as oscilações de neutrinos em apenas alguns metros, o espaço de uma pequena sala. A distância é muito curta para ver oscilações entre os sabores conhecidos. Mas é exatamente a escala certa para as supostas oscilações de neutrinos estéreis.
Esta configuração "dá a você uma assinatura absolutamente rígida, "Mamãe diz." Se você ver essa variação, aquela oscilação característica, há apenas uma explicação para isso. Tem que ser neutrinos estéreis. "
O próprio detector terá cerca de 4,5 metros cúbicos e será composto por uma série de 11 por 14 de "células" finas e compridas empilhadas umas sobre as outras [ver diagrama], com uma resolução espacial esperada de cerca de 10 centímetros cúbicos. Como sua fonte de neutrinos, O PROSPECT usará o High Flux Isotope Reactor no Oak Ridge Laboratory no Tennessee. O experimento será colocado o mais próximo possível do próprio núcleo do reator - a apenas 7 metros (cerca de 20 pés) de distância.
O PROSPECT não verá os neutrinos estéreis diretamente. Em vez, ele detectará um tipo particular de neutrino que é regularmente produzido em reatores nucleares:o antineutrino do tipo elétron.
Um par de células protótipo em construção em uma sala limpa. Crédito:Cortesia da colaboração PROSPECT
Para identificar um antineutrino de elétron, os pesquisadores procurarão um sinal específico na luz. Cada célula do detector é preenchida com um material cintilante. Isso significa que a energia é convertida em luz, que é amplificado e captado por um par de tubos fotomultiplicadores em cada célula.
Quando um neutrino atinge um próton no líquido que preenche as células, ele cria novas partículas que depositam energia dentro do detector. Essas partículas filhas formam uma assinatura que informa aos pesquisadores que um neutrino já esteve lá (veja o diagrama acima).
"O que estamos realmente sentindo é a luz emitida pelo cintilador líquido, "Diz a mamãe. O sinal que eles procuram é" algo que se parece com um pósitron, seguido no momento apropriado [dezenas de microssegundos, ou milionésimos de segundo] por algo que se parece com uma captura de nêutrons. "
Próximos passos
Até aqui, a colaboração criou uma série de protótipos, incluindo um par de células construídas em escala, e está executando simulações para validar os modelos que estão usando para separar o sinal dos fundos altos que eles esperam. Graças às doações do Departamento de Energia dos EUA e da Fundação Heising-Simons neste verão, eles começaram a construir fisicamente o detector.
O PROSPECT deve responder à questão de saber se existem neutrinos estéreis ou não dentro de três anos, Mumm diz. Enquanto isso, o trabalho da colaboração tem alguns resultados potencialmente revolucionários para a física do reator. Por exemplo, os cientistas poderiam usar essa tecnologia para projetar um dispositivo para monitorar as operações do reator remotamente.
"Você pode imaginar, pelo menos me parece, que esta pode ser uma ferramenta muito poderosa nas circunstâncias certas, "Mamãe diz." Você não pode proteger neutrinos. Não há como falsificar. "
