Exceto em filmes de terror, a maioria dos experimentos científicos não começa com cientistas bisbilhotando, corredores desertos. Mas um local escondido nos recessos do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) forneceu exatamente o que Yuri Efremenko estava procurando.

Efremenko, pesquisador do ORNL e professor da Universidade do Tennessee em Knoxville, é o porta-voz do experimento COHERENT, que está estudando neutrinos. A equipe usa cinco detectores de partículas para identificar uma interação específica entre neutrinos e núcleos atômicos. As partículas mais abundantes do universo, os neutrinos são extremamente leves e não têm carga elétrica. Eles interagem muito pouco com outras partículas. Na verdade, trilhões passam pela Terra a cada segundo, não deixando nenhuma impressão. Desnecessário dizer, eles são notoriamente difíceis de detectar.

Inicialmente, a equipe pesquisou uma área movimentada perto da Spallation Neutron Source (SNS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no ORNL no Tennessee. Os nêutrons produzidos pelo SNS acionam 18 instrumentos diferentes que circundam o SNS como raios de uma roda. O SNS também produz neutrinos, que voam em todas as direções do alvo do acelerador de partículas. Mas colocar os detectores de neutrino no mesmo andar que o SNS exporia os dispositivos a partículas de fundo que aumentariam as incertezas.

"Tivemos muita sorte de ir para o porão um dia, "disse David Dean, Diretor da Divisão de Física do ORNL. Depois de mover alguns barris de água para o lado e realizar testes de fundo, eles estavam no negócio. A localização do porão protegeria as máquinas da exposição a partículas de fundo. Uma vez que os cientistas instalaram os detectores do experimento, eles apelidaram o corredor de "Beco do Neutrino".

O experimento, chamado COHERENT, representa um forte contraste com a maioria dos outros experimentos com neutrinos. Para ter um vislumbre dessas partículas minúsculas, a maioria dos experimentos usa máquinas incrivelmente grandes, frequentemente em locais remotos. Um está localizado no Pólo Sul, enquanto outro atira feixes de neutrinos a centenas de quilômetros para um detector distante. Além de sua localização mundana, O detector principal da COHERENT é pouco maior do que uma jarra de leite. Na verdade, é o menor detector de neutrino em funcionamento do mundo.

Mas COHERENT e uma irmã experimentam no ORNL, PROSPECT, estão mostrando que os experimentos com neutrinos não precisam ser enormes para fazer grandes descobertas. Esses dois experimentos modestos apoiados pelo Escritório de Ciência do DOE estão prontos para preencher algumas lacunas importantes em nossa compreensão desta estranha partícula.

Os Mistérios do Neutrino

Embora os neutrinos sejam algumas das menores partículas do universo, investigá-los pode revelar grandes percepções.

"Neutrinos nos contam muito sobre como o universo é criado e mantido coeso, "disse Nathaniel Bowden, um cientista do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do DOE e co-porta-voz do PROSPECT. "Não há outra maneira de responder a muitas das perguntas que temos." Entender como os neutrinos interagem pode até nos ajudar a entender por que a matéria - e tudo que é feito dela - existe.

Mas os neutrinos não tornaram a resposta a essas perguntas fácil. Existem três tipos diferentes de neutrinos, cada um dos quais se comporta de maneira diferente. Além disso, eles mudam de tipo à medida que viajam. Alguns cientistas propuseram uma partícula ainda não vista chamada neutrino estéril. Os físicos teorizam que, se existirem neutrinos estéreis, eles interagiriam com outras partículas ainda menos do que as normais. Isso os tornaria quase impossíveis de detectar.

Mas esse é um grande "se". Um neutrino estéril seria a primeira partícula não prevista pelo Modelo Padrão, resumo dos físicos de como o universo funciona.

"Neutrinos podem conter a pista para descobrir a física de partículas além do modelo padrão, "disse Karsten Heeger, professor da Yale University e co-porta-voz do PROSPECT.

Procurando por uma resposta coerente com COHERENT

Uma equipe de cientistas do ORNL, outros laboratórios nacionais do DOE, e as universidades projetaram o experimento COHERENT para identificar uma interação específica entre neutrinos e núcleos. Enquanto os físicos previram essa interação há mais de 40 anos, eles nunca o haviam detectado.

A maioria dos neutrinos interage apenas com prótons e nêutrons individuais. Mas se a energia de um neutrino é baixa o suficiente, deve interagir com um núcleo inteiro em vez de suas partes individuais. Teóricos propuseram que, quando um neutrino de baixa energia se aproxima de um núcleo, as duas partículas trocam uma partícula elementar chamada bóson Z. À medida que o neutrino libera o bóson Z, o neutrino salta para longe. À medida que o núcleo recebe o bóson Z, o núcleo recua ligeiramente. Essa interação é chamada de espalhamento elástico neutrino-núcleo coerente.

Como a maioria dos núcleos são muito maiores do que prótons ou nêutrons individuais, os cientistas deveriam ver esse tipo de interação com mais frequência do que as interações impulsionadas por neutrinos de alta energia. Ao "ver" a pequena energia de recuo, Os detectores do tamanho de um galão da COHERENT possibilitam aos cientistas estudar as propriedades dos neutrinos.

"É muito bom que você possa realmente ver uma interação de neutrinos com algo que você pode segurar na mão, "disse Kate Scholberg, professor da Duke University e colaborador da COHERENT.

Mas nada disso seria possível sem o SNS do ORNL. Os neutrinos que o SNS produz passam pelo concreto e cascalho para chegar ao porão do ORNL. Eles têm a energia certa para induzir essa interação particular. O feixe pulsado do SNS também permite que os cientistas filtrem o "ruído" de fundo de outras partículas.

"Há um grande fluxo de neutrinos sendo desperdiçado, no SNS, por assim dizer. É a fonte perfeita para uma dispersão coerente - o pijama do gato, "disse Juan Collar, professor da Universidade de Chicago e colaborador da COHERENT.

Depois de correr por 15 meses, COHERENT capturou neutrinos no ato de entregar bósons Z 134 vezes.

Olhando por cima do ombro de seu aluno de graduação enquanto analisava os dados, Collar ficou emocionado ao ver que os resultados saíram exatamente como o esperado. "Quando finalmente olhamos para o processado, conjunto de dados completo, fomos 'wheeeeeee!' ", disse ele.

Medir esse fenômeno - espalhamento elástico do núcleo do neutrino - dá aos físicos uma ferramenta nova e versátil para entender os neutrinos.

"É aberta nossa janela para olhar para a física além do Modelo Padrão, "disse Efremenko.

Usando essa interação, os cientistas podem entender melhor como as supernovas explodem e produzem neutrinos.

Embora esses detectores sejam usados ​​principalmente para pesquisas fundamentais, seu tamanho minúsculo também pode ser útil para outras aplicações. Os reatores nucleares produzem diferentes tipos e quantidades de neutrinos, dependendo se eles produzem energia ou material adequado para armas. Um detector tão pequeno quanto o da COHERENT poderia tornar o esforço de monitorar instalações nucleares muito mais fácil.

Encontrar precisão com PROSPECT

Enquanto COHERENT procurava um fenômeno específico, o experimento PROSPECT se concentrará em fazer medições incrivelmente precisas de neutrinos de um reator nuclear conforme eles mudam de tipo. Experimentos anteriores com reatores nucleares resultaram em medições que fogem da teoria. A equipe PROSPECT projetou um experimento que pode explorar quaisquer discrepâncias, elimine possíveis fontes de erro, ou mesmo descobrir o neutrino estéril.

Em comparação com experimentos anteriores de reator de neutrino, O PROSPECT será capaz de medir com mais precisão o número e o tipo de neutrinos, a distância que eles viajam do reator, e sua energia. O PROSPECT difere de outros experimentos porque seu detector tem várias seções em vez de uma única câmara. Isso permite aos cientistas medir e comparar vários comprimentos de oscilação de neutrino - isto é, a que distância do reator os neutrinos estão mudando de tipo.

Se existirem neutrinos estéreis, este projeto de detector também pode permitir que os cientistas observem a transição de neutrinos regulares para neutrinos estéreis. Em teoria, esta nova forma de neutrinos deve aparecer a uma distância específica do núcleo do detector.

O reator isotópico de alto fluxo (HFIR), uma instalação de usuário do DOE Office of Science em ORNL, fornecerá ao PROSPECT seus neutrinos. Os reatores nucleares comerciais usam uma variedade de combustíveis de urânio e plutônio com diferentes combinações de isótopos. Isso resulta em um amplo espectro de energias de neutrino. Isso torna difícil identificar quais isótopos estão produzindo quais neutrinos. Como um reator de pesquisa, O HFIR usa apenas um isótopo de urânio:urânio-235. Ao medir os antineutrinos desse único isótopo, a equipe do PROSPECT pode entender melhor como todos os reatores nucleares produzem neutrinos.

Cientistas na colaboração do PROSPECT concluíram recentemente a construção de um detector no Laboratório Wright da Universidade de Yale. Embora a região do detector ativo seja muito maior do que o detector do tamanho de um jarro de leite da COHERENT, ainda tem apenas um metro de largura e pesa cerca de cinco toneladas. Em comparação com detectores que pesam milhares de toneladas, este experimento também é executado no lado pequeno. Assim que o PROSPECT estiver concluído e em vigor, levará dados para três anos.

Embora esses experimentos pareçam em miniatura em comparação com outros, eles poderiam revelar respostas sobre neutrinos que se esconderam dos físicos por décadas. Pode ser apenas uma questão de os cientistas saberem onde e como olhar, mesmo que seja em um corredor de armazenamento aparentemente comum.