Tecnologia Científica

A evidência convincente do processo de neutrino abre possibilidades físicas
O experimento de física de partículas COHERENT no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia estabeleceu firmemente a existência de um novo tipo de interação de neutrino.
Por Oak Ridge National Laboratory - 26/01/2021


SCGSR premiado Jacob Zettlemoyer, Indiana University Bloomington, liderou a análise de dados e trabalhou com Mike Febbraro do ORNL em revestimentos, mostrados sob luz azul, para mudar a luz de argônio para comprimentos de onda visíveis para aumentar a detecção. Crédito: Rex Tayloe / Indiana University

O experimento de física de partículas COHERENT no Laboratório Nacional de 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 adicionou 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 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 argônio por meio da força nuclear fraca em um processo chamado espalhamento elástico coerente do núcleo do neutrino, 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 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 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 da física de partículas prevê o espalhamento elástico 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 quatro países. "Ver 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."

Maria del Valle Coello, estudante de física da Universidade de Indiana, vê o detector CENNS-10 instalado no Neutrino Alley do SNS. Crédito: Rex Tayloe / Indiana University
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. O primeiro a medição de sódio e iodeto foi uma porta que nos permitiu entrar para explorar o edifício. Agora abrimos esta outra porta de argônio. " Os dados do argônio são consistentes com o modelo padrão dentro 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 fantásticos", acrescentou Efremenko.
 
"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, líder 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 à espreita."

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 neutrinos dedicado, apelidado de Neutrino Alley, sob a liderança de Newby e Efremenko. Um detector de 53 libras, ou 24 quilogramas, 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 que são 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 as 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 local do SNS com blindagem de chumbo em camadas, cobre e água para eliminar fundos de nêutrons.

A Fonte de Nêutrons de Espalação também produz neutrinos em grandes quantidades.
Crédito: Jason Richards / ORNL, Departamento de Energia dos EUA

Após 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 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, consistentes 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 das interações neutrino-núcleo prevista pelo Modelo Padrão e vista pela COHERENT também tem aplicações práticas. "Esta é uma forma de medir a distribuição dos nêutrons dentro dos núcleos e a densidade das estrelas de nêutrons", disse Efremenko. "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 o CEvNS em uma variedade de núcleos, um detector de 16 quilos baseado em núcleos de germânio, que são maiores que argônio, mas menores que césio e iodeto, será instalado no Beco Neutrino 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 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 existência de neutrinos estéreis que não têm interação fraca e, portanto, não demonstrar uma interação coerente.

Eventualmente, eles gostariam de adicionar um detector de argônio líquido 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.

 

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