O experimento de física de partículas COHERENT no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia estabeleceu firmemente a existência de um novo tipo de interação de neutrino. Como os neutrinos são eletricamente neutros e interagem apenas fracamente com a matéria, a busca por observar essa interação impulsionou avanços na tecnologia de detectores e acrescentou novas informações às teorias com o objetivo de explicar os mistérios do cosmos.

"Acredita-se que o neutrino esteja no centro de muitas questões em aberto sobre a natureza do universo, "disse o professor de física da Universidade de Indiana, Rex Tayloe. Ele liderou a instalação, operação e análise de dados de um detector de argônio líquido criogênico para neutrinos na Fonte de Nêutrons de Espalação, ou SNS, um DOE Office of Science User Facility em ORNL.

O estudo, publicado em Cartas de revisão física , observaram que os neutrinos de baixa energia interagem com um núcleo de argônio através da força nuclear fraca em um processo denominado espalhamento elástico do núcleo do neutrino coerente, ou CEvNS, que é pronunciado "setes". Como uma bola de pingue-pongue bombardeando uma bola de softball, um neutrino que atinge um núcleo transfere apenas uma pequena quantidade de energia para o núcleo muito maior, que recua quase imperceptivelmente em resposta ao pequeno ataque.

O alicerce para a descoberta feita com o núcleo de argônio foi um estudo de 2017 publicado em Ciência em que os colaboradores da COHERENT usaram o menor detector de neutrino do mundo para fornecer a primeira evidência do processo CEvNS conforme os neutrinos interagiam com núcleos de césio e iodeto maiores e mais pesados. Seus recuos foram ainda menores, como bolas de boliche reagindo a bolas de pingue-pongue.

"O Modelo Padrão de Física de Partículas prevê o espalhamento elástico coerente de neutrinos fora dos núcleos, "disse a física da Duke University Kate Scholberg, porta-voz e organizador dos objetivos de ciência e tecnologia da COHERENT. A colaboração conta com 80 participantes de 19 instituições e quatro países. "Vendo a interação do neutrino com o argônio, o núcleo mais leve para o qual foi medido, confirma a observação anterior de núcleos mais pesados. Medir o processo com precisão estabelece restrições em modelos teóricos alternativos. "

Yuri Efremenko, um físico da Universidade do Tennessee, Knoxville, e ORNL que liderou o desenvolvimento de fotodetectores mais sensíveis, disse, "O argônio fornece uma espécie de 'porta'. O processo CEvNS é como um edifício que sabemos que deveria existir. A primeira medição de sódio e iodeto foi uma porta que nos permitiu entrar para explorar o edifício. Agora abrimos este outro argônio porta." Os dados do argônio são consistentes com o modelo padrão dentro das barras de erro. Contudo, a maior precisão habilitada por detectores maiores pode permitir que os cientistas vejam algo novo. "Ver algo inesperado seria como abrir a porta e ver tesouros fantásticos, "Efremenko acrescentou.

"Estamos procurando maneiras de quebrar o modelo padrão. Amamos o modelo padrão; ele tem sido muito bem-sucedido. Mas há coisas que ele simplesmente não explica, "disse o físico Jason Newby, Liderança de ORNL para COHERENT. "Suspeitamos que nesses pequenos lugares onde o modelo pode quebrar, respostas a grandes questões sobre a natureza do universo, antimatéria e matéria escura, por exemplo, poderia estar à espera. "

A equipe COHERENT usa a fonte de nêutrons pulsados ​​mais brilhante do mundo no SNS para ajudar a encontrar as respostas. Os nêutrons que o SNS produz para pesquisa criam neutrinos como subproduto. Um corredor de serviço abaixo do alvo de mercúrio SNS foi convertido em um laboratório de neutrino dedicado, apelidado de Neutrino Alley, sob a liderança de Newby e Efremenko. 53 libras, ou 24 quilogramas, detector chamado CENNS-10 fica a 90 pés, ou 27,5 metros, de uma fonte de neutrino de baixa energia que otimiza as oportunidades de detectar interações coerentes. Isso significa que os neutrinos que se aproximam vêem a força fraca do núcleo como um todo, levando a um efeito maior em comparação com interações não coerentes.

Detectores maiores são melhores para fazer medições de alta precisão, e a tecnologia do detector CENNS-10 é fácil de aumentar simplesmente adicionando mais argônio líquido.

O detector CENNS-10 foi originalmente construído no Fermilab pelo colaborador da COHERENT Jonghee Yoo. Ele e Tayloe o trouxeram para IU e o retrabalharam antes de ser instalado no SNS em 2016. Newby e Efremenko prepararam o site do SNS com blindagem de chumbo em camadas, cobre e água para eliminar fundos de nêutrons.

Depois que as medições iniciais indicaram que o experimento não seria dominado pelo fundo, revestimentos de deslocamento de comprimento de onda foram aplicados aos fotodetectores e refletores internos que melhoraram significativamente a coleta de luz. O detector foi calibrado injetando criptônio-83m no argônio líquido para permitir o cálculo do número de fótons presentes.

Os resultados publicados usaram 18 meses de dados coletados do CENNS-10. A análise dos dados revelou 159 eventos CEvNS, consistente com a previsão do Modelo Padrão.

Os dados da COHERENT ajudarão pesquisadores em todo o mundo a interpretar suas medições de neutrinos e testar suas teorias de possíveis novas físicas. A impressão digital calculável de interações neutrino-núcleo prevista pelo Modelo Padrão e vista pela COHERENT tem aplicações práticas, também. "Esta é uma forma de medir a distribuição dos nêutrons dentro dos núcleos e a densidade das estrelas de nêutrons, "Efremenko disse." É uma contribuição para a física nuclear e astrofísica porque os processos são muito semelhantes. "

Diferentes tipos de detectores são necessários para estudos abrangentes de neutrinos. Para promover o objetivo de observar CEvNS em uma variedade de núcleos, um detector de 16 quilogramas baseado em núcleos de germânio, que são maiores que argônio, mas menores que césio e iodeto, será instalado em Neutrino Alley no próximo ano. Uma série de detectores de iodeto de sódio foi instalada para aumentar o detector de iodeto de césio em operação desde 2017.

Enquanto isso, a coleta de dados continua 24 horas por dia, 7 dias por semana, apesar do COVID-19, porque os colaboradores da COHERENT monitoram seu detector de argônio líquido remotamente. Eles aspiram a aumentá-lo para a escala de toneladas para ver 25 vezes mais eventos anualmente e permitir a observação de espectros de energia detalhados que podem revelar assinaturas da nova física, incluindo a existência de neutrinos estéreis que não têm interação fraca e, Portanto, não demonstraria uma interação coerente.

Eventualmente, eles gostariam de adicionar 10 toneladas ainda maiores, detector de argônio líquido na segunda estação alvo do SNS. "Estamos promovendo a tecnologia para que, no futuro, poderemos responder a perguntas que exigem maior precisão, "Newby disse.