p Em 1974, um físico do Fermilab previu uma nova maneira de partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos interagirem com a matéria. Mais de quatro décadas depois, uma equipe de físicos liderada pela UChicago construiu o menor detector de neutrinos do mundo para observar a interação indescritível pela primeira vez. p Neutrinos são um desafio para estudar porque suas interações com a matéria são muito raras. Particularmente evasivo tem sido o que é conhecido como espalhamento elástico do núcleo neutrino coerente, que ocorre quando um neutrino bate no núcleo de um átomo.

p A Colaboração COHERENT internacional, que inclui físicos da UChicago, detectou o processo de espalhamento usando um detector que é pequeno e leve o suficiente para ser carregado por um pesquisador. Suas descobertas, que confirmam a teoria de Daniel Freedman do Fermilab, foram relatados em 3 de agosto no jornal Ciência .

p "Por que demorou 43 anos para observar essa interação?" perguntou o co-autor Juan Collar, Professor de física da UChicago. "O que acontece é muito sutil." Freedman não viu muita chance de confirmação experimental, escrevendo na época:"Nossa sugestão pode ser um ato de arrogância, porque as restrições inevitáveis ​​da taxa de interação, resolução e plano de fundo representam graves dificuldades experimentais. "

p Quando um neutrino se choca com o núcleo de um átomo, cria um minúsculo, recuo mal mensurável. Fazendo um detector de elementos pesados, como iodo, césio ou xenônio aumenta dramaticamente a probabilidade deste novo modo de interação de neutrino, em comparação com outros processos. Mas há uma compensação, já que os minúsculos recuos nucleares resultantes tornam-se mais difíceis de detectar à medida que o núcleo fica mais pesado.

p "Imagine que seus neutrinos são bolas de pingue-pongue atingindo uma bola de boliche. Eles vão dar apenas um pequeno impulso extra a essa bola de boliche, "Colarinho disse.

p Para detectar aquele pequeno recuo, Collar e seus colegas descobriram que um cristal de iodeto de césio dopado com sódio era o material perfeito. A descoberta levou os cientistas a descartar os pesados, detectores gigantescos comuns na pesquisa de neutrinos para um semelhante em tamanho a uma torradeira.

p Nenhum laboratório gigantesco

p O detector de 4 por 13 polegadas usado para produzir o Ciência os resultados pesam apenas 32 libras (14,5 kg). Em comparação, os observatórios de neutrinos mais famosos do mundo estão equipados com milhares de toneladas de material detector.

p "Você não tem que construir um laboratório gigantesco em torno disso, "disse o estudante de doutorado da UChicago, Bjorn Scholz, cuja tese conterá o resultado relatado no Ciência papel. "Agora podemos pensar em construir outros pequenos detectores que possam ser usados, por exemplo, para monitorar o fluxo de neutrinos em usinas nucleares. Você acabou de colocar um pequeno detector agradável do lado de fora, e você pode medi-lo in situ. "

p Físicos neutrinos, Enquanto isso, estão interessados ​​em usar a tecnologia para entender melhor as propriedades da partícula misteriosa.

p “Os neutrinos são uma das partículas mais misteriosas, "Collar disse." Nós ignoramos muitas coisas sobre eles. Nós sabemos que eles têm massa, mas não sabemos exatamente quanto. "

p Através da medição do espalhamento elástico do núcleo neutrino coerente, os físicos esperam responder a essas perguntas. A Colaboração COHERENT Ciência papel, por exemplo, impõe limites sobre novos tipos de interações neutrino-quark que foram propostas.

p Os resultados também têm implicações na pesquisa de Partículas Massivas com Interação Fraca. WIMPs são partículas candidatas à matéria escura, que é um material invisível de composição desconhecida que responde por 85 por cento da massa do universo.

p "O que observamos com os neutrinos é o mesmo processo que se espera que ocorra em todos os detectores WIMP que estamos construindo, "Colarinho disse.

p Beco Neutrino

p A Colaboração COHERENT, que envolve 90 cientistas em 18 instituições, tem conduzido sua busca por espalhamento coerente de neutrinos na Spallation Neutron Source no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. Os pesquisadores instalaram seus detectores em um corredor subterrâneo que ficou conhecido como "beco dos neutrinos". Este corredor é fortemente protegido por ferro e concreto da área alvo do feixe de nêutrons altamente radioativo, apenas 20 metros (menos de 25 jardas) de distância.

p Este beco de neutrino resolveu um grande problema para a detecção de neutrino:ele filtra quase todos os nêutrons gerados pela Fonte de Nêutrons de Espalação, mas os neutrinos ainda podem alcançar os detectores. Isso permite que os pesquisadores vejam mais claramente as interações dos neutrinos em seus dados. Em outros lugares, eles seriam facilmente abafados pelas detecções de nêutrons mais proeminentes.

p A Spallation Neutron Source gera os feixes de nêutrons pulsados ​​mais intensos do mundo para pesquisa científica e desenvolvimento industrial. No processo de geração de nêutrons, o SNS também produz neutrinos, embora em quantidades menores.

p "Você poderia usar um tipo mais sofisticado de detector de neutrino, mas não o tipo certo de fonte de neutrino, e você não veria este processo, "Collar disse." Foi o casamento de fonte ideal e detector ideal que fez o experimento funcionar. "

p Dois dos ex-alunos de graduação de Collar são co-autores do artigo da Science:Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, agora é professor assistente de física na Duke University; e Nicole Fields, PhD'15, agora um físico da saúde da Comissão Reguladora Nuclear dos EUA em Chicago.

p O desenvolvimento de um detector de neutrino compacto traz à tona a ideia de que o ex-aluno da UChicago, Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, proposto em 1984. Stodolsky e Andrzej Drukier, ambos do Instituto Max Planck de Física e Astrofísica na Alemanha, observou que um detector coerente seria relativamente pequeno e compacto, ao contrário dos detectores de neutrino mais comuns, contendo milhares de galões de água ou cintilador líquido. Em seu trabalho, eles previram a chegada de futuras tecnologias de neutrinos possibilitadas pela miniaturização dos detectores.

p Scholz, o estudante de graduação da UChicago, saudou os cientistas que trabalharam por décadas para criar a tecnologia que culminou na detecção do espalhamento coerente de neutrinos.

p "Não consigo entender como eles devem se sentir agora que finalmente foi detectado, e eles alcançaram um de seus objetivos de vida, "Scholz disse." Eu cheguei no final da corrida. Definitivamente, temos que dar crédito a todo o tremendo trabalho que as pessoas fizeram antes de nós. "