Le détecteur PROSPECT consistera en un réseau 11 x 14 de longues cellules minces remplies de scintillateur liquide, qui est conçu pour détecter les antineutrinos émanant du cœur du réacteur. S'il existe un arôme de neutrino stérile, puis PROSPECT verra des vagues d'antineutrinos qui apparaissent et disparaissent avec une période déterminée par leur énergie. Composition non dessinée à l'échelle. Les cellules individuelles elles-mêmes (en haut à droite) sont remplies d'un mélange liquide non conventionnel partiellement développé par le NIST. En plus de contenir une solution scintillante disponible dans le commerce qui transforme les touches en lumière, le liquide est dopé aux ions lithium, qui permet aux chercheurs de capter les signaux antineutrinos dans un détecteur de taille relativement petite. Crédit :Sean Kelley/NIST
Dernièrement, les neutrinos – les minuscules, des particules presque sans masse que de nombreux scientifiques étudient pour mieux comprendre le fonctionnement fondamental de l'univers – posent un problème aux physiciens.
Ils savent que ces particules sont produites en nombre immense par des réactions nucléaires telles que celles qui se déroulent dans notre soleil. Ils savent aussi que les neutrinos n'interagissent pas très souvent avec la matière; des milliards d'entre eux sont passés par votre main dans le temps qu'il vous a fallu pour lire cette phrase.
Mais dans une foule d'expériences à travers le monde, les chercheurs constatent un déficit dans le nombre de neutrinos qu'ils voient par rapport à ce qu'ils s'attendent à voir, basé sur la théorie. Et cela n'a rien à voir avec le va-et-vient entre les trois saveurs de neutrinos que les physiciens connaissent également déjà.
Une explication possible est qu'il existe un quatrième type de neutrino qui n'a pas été détecté. C'est ce qu'on appelle un neutrino stérile. Et les scientifiques du NIST commenceront à le rechercher l'année prochaine dans le cadre de l'expérience sur l'oscillation et le spectre de précision (PROSPECT), une collaboration impliquant 68 scientifiques et ingénieurs de 10 universités et quatre laboratoires nationaux.
"C'est potentiellement une expérience de découverte, " dit Pieter Mumm du NIST, qui est co-fondateur et co-porte-parole du projet, avec Karsten Heeger à l'Université de Yale et Nathaniel Bowden au Lawrence Livermore National Laboratory. Découvrir une nouvelle particule serait "super excitant, " il continue, parce qu'un nouveau type de neutrino ne fait pas partie du modèle standard de la physique, l'explication bien vérifiée de l'univers tel que nous le connaissons.
Pour trouver la nouvelle particule ou réfuter définitivement son existence, la collaboration PROSPECT se prépare à construire un détecteur unique en son genre pour les expériences de neutrinos à courte portée, utilisant un réacteur nucléaire comme source de neutrinos.
D'abord, un antineutrino électronique (v̄e) interagit avec un proton (p) dans le scintillateur liquide qui remplit chaque cellule du détecteur, créant un positon (e+) et un neutron (n). Prochain, le neutron se balade dans le liquide puis est capté par les ions lithium du liquide, produisant deux particules lourdes :un tritium (3H) et un alpha (α). A droite :la signature qu'un antineutrino électronique a été "attrapé" est donc un double éclat de lumière :un gros du positon, suivi des dizaines de microsecondes plus tard par un légèrement plus petit des deux particules lourdes. Crédit :Sean Kelley/NIST
Les travaux pourraient non seulement faire la lumière sur une nouvelle physique, mais cela pourrait aussi donner aux chercheurs un nouvel outil pour surveiller et sécuriser les réacteurs nucléaires.
PROSPECTION des neutrinos
Contrairement à d'autres expériences sur les neutrinos, qui examinent généralement les oscillations entre les trois saveurs connues sur des distances de kilomètres ou de centaines de kilomètres, PROSPECT examinera les oscillations des neutrinos sur quelques mètres seulement, l'espace d'une petite pièce. La distance est trop courte pour voir des oscillations entre les saveurs connues. Mais c'est exactement la bonne échelle pour les oscillations hypothétiques de neutrinos stériles.
Cette configuration "vous donne une signature absolument à toute épreuve, " dit Mumm. " Si vous voyez cette variation, cette oscillation caractéristique, il n'y a qu'une seule explication. Il doit s'agir de neutrinos stériles."
Le détecteur lui-même mesurera environ 4,5 mètres cubes et sera composé d'un réseau de 11 par 14 de longues "cellules" minces empilées les unes sur les autres [voir diagramme], avec une résolution spatiale attendue d'environ 10 centimètres cubes. En tant que source de neutrinos, PROSPECT utilisera le réacteur isotopique à haut flux du laboratoire d'Oak Ridge dans le Tennessee. L'expérience sera placée aussi près que possible du cœur du réacteur lui-même, à seulement 7 mètres (environ 20 pieds).
PROSPECT ne verra pas directement les neutrinos stériles. Plutôt, il détectera un type particulier de neutrino qui est régulièrement produit dans les réacteurs nucléaires :l'antineutrino de type électronique.
Une paire de cellules prototypes en construction dans une salle blanche. Crédit :Avec l'aimable autorisation de la collaboration PROSPECT
Pour identifier un antineutrino électronique, les chercheurs rechercheront un signal particulier dans la lumière. Chaque cellule du détecteur est remplie d'un matériau scintillant. Cela signifie que l'énergie est convertie en lumière, qui est amplifié et capté par une paire de tubes photomultiplicateurs sur chaque cellule.
Lorsqu'un neutrino frappe un proton dans le liquide remplissant les cellules, il crée de nouvelles particules qui déposent de l'énergie dans le détecteur. Ces particules filles forment une signature qui indique aux chercheurs qu'un neutrino s'y trouvait autrefois (voir schéma ci-dessus).
"Ce que nous ressentons en fait, c'est la lumière émise par le scintillateur liquide, " dit Mumm. Le signal qu'ils recherchent est "quelque chose qui ressemble à un positron, suivi au moment opportun [des dizaines de microsecondes, ou des millionièmes de seconde] par quelque chose qui ressemble à une capture de neutrons."
Prochaines étapes
Jusque là, la collaboration a créé une série de prototypes, comprenant une paire de cellules construites à l'échelle, et exécute des simulations pour valider les modèles qu'ils utilisent pour séparer le signal des bruits de fond élevés auxquels ils s'attendent. Grâce aux subventions du département américain de l'Énergie et de la Fondation Heising-Simons cet été, ils ont commencé à construire physiquement le détecteur.
PROSPECT devrait répondre à la question de savoir s'il y a ou non des neutrinos stériles dans les trois ans, dit maman. Pendant ce temps, les travaux de la collaboration ont des retombées potentiellement déterminantes pour la physique des réacteurs. Par exemple, les scientifiques pourraient potentiellement utiliser cette technologie pour concevoir un dispositif permettant de surveiller à distance les opérations du réacteur.
"Tu peux imaginer, du moins il me semble, que cela pourrait être un outil assez puissant dans les bonnes circonstances, " dit Mumm. " Vous ne pouvez pas protéger les neutrinos. Il n'y a aucun moyen de l'usurper."
