O experimento de física departículas COHERENT no Laborata³rio Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia estabeleceu firmemente a existaªncia 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 adicionou novas informações a s teorias com o objetivo de explicar os mistanãrios 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 arga´nio la­quido criogaªnico para neutrinos na Spallation Neutron Source, ou SNS, um DOE Office of Science User Facility no ORNL.

O estudo, publicado na Physical Review Letters , observou que os neutrinos de baixa energia interagem com um núcleo de arga´nio por meio da força nuclear fraca em um processo chamado espalhamento ela¡stico coerente do núcleo do neutrino, ou CEvNS, que épronunciado "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 arga´nio foi um estudo de 2017 publicado na Science, no qual 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 canãsio e iodeto maiores e mais pesados. Seus recuos foram ainda menores, como bolas de boliche reagindo a bolas de pingue-pongue.

"O modelo padrãoda física departículas prevaª o espalhamento ela¡stico coerente de neutrinos fora dos núcleos", disse a física da Universidade Duke, Kate Scholberg, porta-voz e organizadora dos objetivos de ciência e tecnologia da COHERENT. A colaboração conta com 80 participantes de 19 instituições e quatropaíses. "Ver a interação do neutrino com o arga´nio, 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."

Maria del Valle Coello, estudante de física da Universidade de Indiana, vaª o detector CENNS-10 instalado no Neutrino Alley do SNS. Crédito: Rex Tayloe / Indiana University

Yuri Efremenko, um fa­sico da Universidade do Tennessee, Knoxville, e ORNL que liderou o desenvolvimento de fotodetectores mais sensa­veis, disse: "O arga´nio fornece uma espanãcie de 'porta'. O processo CEvNS écomo um edifa­cio que sabemos que deveria existir. O primeiro a medição de sãodio e iodeto foi uma porta que nos permitiu entrar para explorar o edifa­cio. Agora abrimos esta outra porta de arga´nio. " Os dados do arga´nio são consistentes com o modelo padrãodentro das barras de erro. No entanto, o aumento da precisão habilitado por detectores maiores pode permitir que os cientistas vejam algo novo. "Ver algo inesperado seria como abrir a porta e ver tesouros fanta¡sticos", acrescentou Efremenko.

"Estamos procurando maneiras de quebrar o Modelo Padra£o. Amamos o Modelo Padra£o; ele tem sido muito bem-sucedido. Mas hácoisas que ele simplesmente não explica", disse o fa­sico Jason Newby, lider do ORNL para COHERENT. "Suspeitamos que nesses pequenos lugares onde o modelo pode falhar, as respostas a grandes questões sobre a natureza do universo, antimatéria e matéria escura, por exemplo, podem estar a  espreita."

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

Detectores maiores são melhores para fazer medições de alta precisão, e a tecnologia do detector CENNS-10 éfa¡cil de aumentar simplesmente adicionando mais arga´nio la­quido.

O detector CENNS-10 foi originalmente construa­do 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 local do SNS com blindagem de chumbo em camadas, cobre e águapara eliminar fundos de naªutrons.

Apa³s as medições iniciais indicarem 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 cripta´nio-83m no arga´nio la­quido para permitir o ca¡lculo do número de fa³tons presentes.

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

Os dados da COHERENT ajudara£o pesquisadores em todo o mundo a interpretar suas medições de neutrinos e testar suas teorias de possa­veis novas físicas. A impressão digital calcula¡vel das interações neutrino-núcleo prevista pelo Modelo Padra£o e vista pela COHERENT também tem aplicações prática s. "Esta éuma forma de medir a distribuição dos naªutrons dentro dos núcleos e a densidade das estrelas de naªutrons", disse Efremenko. "a‰ uma contribuição para a física nuclear e astrofa­sica porque os processos são muito semelhantes."

Diferentes tipos de detectores são necessa¡rios para estudos abrangentes de neutrinos. Para promover o objetivo de observar o CEvNS em uma variedade de núcleos, um detector de 16 quilos baseado em núcleos de germa¢nio, que são maiores que arga´nio, mas menores que canãsio e iodeto, seráinstalado no Beco Neutrino no pra³ximo ano. Uma sanãrie de detectores de iodeto de sãodio foi instalada para aumentar o detector de iodeto de canãsio 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 arga´nio la­quido remotamente. Eles aspiram a aumenta¡-lo em escala ton para ver 25 vezes mais eventos anualmente e permitir a observação de espectros de energia detalhados que poderiam revelar assinaturas da nova física, incluindo a existaªncia de neutrinos estanãreis que não tem interação fraca e, portanto, não demonstrar uma interação coerente.

Eventualmente, eles gostariam de adicionar um detector de arga´nio la­quido de 10 toneladas ainda maior na Segunda Estação Alvo do SNS. “Estamos pressionando a tecnologia para que, no futuro, possamos responder a perguntas que exigem maior precisão”, disse Newby.