En 1974, un físico de Fermilab predijo una nueva forma para que las partículas fantasmales llamadas neutrinos interactúen con la materia. Más de cuatro décadas después, un equipo de físicos liderado por UChicago construyó el detector de neutrinos más pequeño del mundo para observar la esquiva interacción por primera vez.
Los neutrinos son un desafío para estudiar porque sus interacciones con la materia son muy raras. Particularmente elusivo ha sido lo que se conoce como dispersión elástica coherente de neutrinos y núcleos, que ocurre cuando un neutrino golpea el núcleo de un átomo.
La Colaboración internacional COHERENT, que incluye físicos en UChicago, detectó el proceso de dispersión mediante el uso de un detector que es lo suficientemente pequeño y liviano como para que lo lleve un investigador. Sus hallazgos, que confirman la teoría de Daniel Freedman de Fermilab, se informaron el 3 de agosto enel periódico ciencia .
"¿Por qué tardó 43 años en observar esta interacción?", Preguntó el coautor Juan Collar, profesor de física de UChicago. "Lo que ocurre es muy sutil". Freedman no vio muchas posibilidades de confirmación experimental, escribiendo ael momento: "Nuestra sugerencia puede ser un acto de arrogancia, porque las limitaciones inevitables de la tasa de interacción, la resolución y los antecedentes plantean graves dificultades experimentales".
Cuando un neutrino choca con el núcleo de un átomo, crea un retroceso diminuto, apenas medible. Hacer un detector con elementos pesados como yodo, cesio o xenón aumenta dramáticamente la probabilidad de este nuevo modo de interacción de neutrinos, en comparación conotros procesos, pero hay una compensación, ya que los pequeños retrocesos nucleares que resultan se vuelven más difíciles de detectar a medida que el núcleo se vuelve más pesado.
"Imagine que sus neutrinos son pelotas de ping-pong que golpean una bola de boliche. Van a impartir solo un pequeño impulso extra a esta bola de boliche", dijo Collar.
Para detectar ese pequeño retroceso, Collar y sus colegas descubrieron que un cristal de yoduro de cesio dopado con sodio era el material perfecto. El descubrimiento llevó a los científicos a deshacerse de los detectores gigantes y pesados comunes en la investigación de neutrinos por uno similar en tamaño auna tostadora.
sin laboratorio gigantesco
El detector de 4 pulgadas por 13 pulgadas usado para producir el ciencia los resultados pesan solo 32 libras 14.5 kilogramos. En comparación, los observatorios de neutrinos más famosos del mundo están equipados con miles de toneladas de material detector.
"No es necesario construir un laboratorio gigantesco a su alrededor", dijo Bjorn Scholz, estudiante de doctorado de UChicago, cuya tesis contendrá el resultado informado en el ciencia papel. "Ahora podemos pensar en construir otros detectores pequeños que luego puedan usarse, por ejemplo, para monitorear el flujo de neutrinos en las centrales nucleares. Simplemente coloque un pequeño detector en el exterior, y puede medirlo in situ"
Mientras tanto, los físicos de neutrinos están interesados en usar la tecnología para comprender mejor las propiedades de la misteriosa partícula.
"Los neutrinos son una de las partículas más misteriosas", dijo Collar. "Ignoramos muchas cosas sobre ellos. Sabemos que tienen masa, pero no sabemos exactamente cuánto".
A través de la medición de la dispersión coherente de neutrino-núcleo elástico, los físicos esperan responder a esas preguntas. La Colaboración COHERENTE ciencia el documento, por ejemplo, impone límites a los nuevos tipos de interacciones neutrino-quark que se han propuesto.
Los resultados también tienen implicaciones en la búsqueda de partículas masivas que interactúan débilmente. Los WIMP son partículas candidatas para la materia oscura, que es un material invisible de composición desconocida que representa el 85 por ciento de la masa del universo.
"Lo que hemos observado con los neutrinos es el mismo proceso que se espera que esté en juego en todos los detectores WIMP que hemos estado construyendo", dijo Collar.
callejón de neutrinos
La Colaboración COHERENT, que involucra a 90 científicos en 18 instituciones, ha estado realizando una búsqueda de dispersión coherente de neutrinos en la Fuente de neutrones de Spallation en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. Los investigadores instalaron sus detectores en un corredor del sótano que se conoció como "callejón de neutrinos ". Este corredor está fuertemente protegido por hierro y concreto del área objetivo del haz de neutrones altamente radiactivo, a solo 20 metros menos de 25 yardas de distancia".
Este callejón de neutrinos resolvió un problema importante para la detección de neutrinos: elimina casi todos los neutrones generados por la fuente de neutrinos de espalación, pero los neutrinos aún pueden llegar a los detectores. Esto permite a los investigadores ver con mayor claridad las interacciones de neutrinos en sus datos.ser fácilmente ahogado por las detecciones de neutrones más prominentes.
La fuente de neutrones de espalación genera los haces de neutrones pulsados más intensos del mundo para la investigación científica y el desarrollo industrial. En el proceso de generación de neutrones, el SNS también produce neutrinos, aunque en cantidades más pequeñas.
"Podría usar un tipo de detector de neutrinos más sofisticado, pero no el tipo correcto de fuente de neutrinos, y no vería este proceso", dijo Collar. "Fue el matrimonio de la fuente ideal y el detector ideal lo que hizo quetrabajo experimental "
Dos de los antiguos estudiantes de posgrado de Collar son coautores del artículo de Ciencia: Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, PhD'09, ahora profesor asistente de física en la Universidad de Duke; y Nicole Fields, PhD'15,ahora físico de salud de la Comisión de Regulación Nuclear de Estados Unidos en Chicago.
El desarrollo de un detector de neutrinos compacto lleva a buen término una idea que el alumno de UChicago Leo Stodolsky, SM'58, PhD'64, propuso en 1984. Stodolsky y Andrzej Drukier, ambos del Instituto Max Planck de Física y Astrofísica en Alemania,señaló que un detector coherente sería relativamente pequeño y compacto, a diferencia de los detectores de neutrinos más comunes que contienen miles de galones de agua o centelleador líquido. En su trabajo, predijeron la llegada de futuras tecnologías de neutrinos posibles gracias a la miniaturización de los detectores.
Scholz, el estudiante graduado de UChicago, saludó a los científicos que han trabajado durante décadas para crear la tecnología que culminó en la detección de la dispersión coherente de neutrinos.
"No puedo entender cómo deben sentirse ahora que finalmente se ha detectado, y han logrado uno de sus objetivos de vida", dijo Scholz. "He llegado al final de la carrera. Definitivamente tenemos que darcrédito a todo el tremendo trabajo que la gente ha hecho antes que nosotros "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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