Lauréat SCGSR Jacob Zettlemoyer, Université de l'Indiana Bloomington, a dirigé l'analyse des données et travaillé avec Mike Febbraro de l'ORNL sur les revêtements, montré sous lumière bleue, pour déplacer la lumière de l'argon vers les longueurs d'onde visibles afin d'améliorer la détection. Crédit :Rex Tayloe/Université de l'Indiana
L'expérience de physique des particules COHERENT au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a fermement établi l'existence d'un nouveau type d'interaction de neutrinos. Parce que les neutrinos sont électriquement neutres et n'interagissent que faiblement avec la matière, la quête pour observer cette interaction a conduit à des progrès dans la technologie des détecteurs et a ajouté de nouvelles informations aux théories visant à expliquer les mystères du cosmos.
"Le neutrino serait au cœur de nombreuses questions ouvertes sur la nature de l'univers, " a déclaré le professeur de physique de l'Université de l'Indiana, Rex Tayloe. Il a dirigé l'installation, exploitation et analyse des données d'un détecteur cryogénique à argon liquide pour les neutrinos à la source de neutrons de spallation, ou SNS, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL.
L'étude, Publié dans Lettres d'examen physique , ont observé que les neutrinos de basse énergie interagissent avec un noyau d'argon par le biais de la force nucléaire faible dans un processus appelé diffusion élastique cohérente neutrino-noyau, ou CEvNS, qui se prononce "sept". Comme une balle de ping-pong bombardant une balle molle, un neutrino qui frappe un noyau ne transfère qu'une petite quantité d'énergie au noyau beaucoup plus gros, qui recule presque imperceptiblement en réponse à l'assaut minuscule.
Jeter les bases de la découverte faite avec le noyau d'argon était une étude de 2017 publiée dans Science dans lequel les collaborateurs de COHERENT ont utilisé le plus petit détecteur de neutrinos au monde pour fournir la première preuve du processus CEvNS, car les neutrinos interagissaient avec des noyaux de césium et d'iodure plus gros et plus lourds. Leurs reculs étaient encore plus petits, comme des boules de bowling réagissant aux balles de ping-pong.
"Le modèle standard de physique des particules prédit la diffusion élastique cohérente des neutrinos hors des noyaux, " a déclaré Kate Scholberg, physicienne de l'Université Duke, porte-parole et organisateur des objectifs scientifiques et technologiques de COHERENT. La collaboration compte 80 participants de 19 institutions et de quatre pays. "En voyant l'interaction des neutrinos avec l'argon, le noyau le plus léger pour lequel il a été mesuré, confirme l'observation antérieure à partir de noyaux plus lourds. La mesure du processus établit avec précision des contraintes sur les modèles théoriques alternatifs."
Maria del Valle Coello, étudiante en physique à l'Université de l'Indiana, regarde le détecteur CENNS-10 installé dans la Neutrino Alley de SNS. Crédit :Rex Tayloe/Université de l'Indiana
Youri Efremenko, un physicien à l'Université du Tennessee, Knoxville, et ORNL qui a dirigé le développement de photodétecteurs plus sensibles, mentionné, "L'argon fournit une sorte de" porte ". Le processus CEvNS est comme un bâtiment dont nous savons qu'il devrait exister. La première mesure du sodium et de l'iodure était une porte qui nous permettait d'explorer le bâtiment. Nous avons maintenant ouvert cet autre argon porte." Les données d'argon sont cohérentes avec le modèle standard dans les barres d'erreur. Cependant, une précision accrue permise par de plus gros détecteurs peut permettre aux scientifiques de voir quelque chose de nouveau. "Voir quelque chose d'inattendu serait comme ouvrir la porte et voir des trésors fantastiques, " ajouta Efremenko.
« Nous cherchons des moyens de briser le modèle standard. Nous aimons le modèle standard ; il a vraiment réussi. Mais il y a des choses qu'il n'explique tout simplement pas, " a déclaré le physicien Jason Newby, Chef de file de l'ORNL pour COHERENT. "On se doute que dans ces petits endroits où le modèle risque de tomber en panne, des réponses aux grandes questions sur la nature de l'univers, antimatière et matière noire, par exemple, pourrait attendre."
L'équipe COHERENT utilise la source de neutrons pulsés la plus brillante au monde au SNS pour aider à trouver les réponses. Les neutrons que SNS produit pour la recherche créent des neutrinos en tant que sous-produit. Un couloir de service sous la cible de mercure du SNS a été converti en un laboratoire dédié aux neutrinos, surnommé Neutrino Alley, sous la direction de Newby et Efremenko. Un 53 livres, ou 24 kilogrammes, le détecteur appelé CENNS-10 se trouve à 90 pieds, ou 27,5 mètres, à partir d'une source de neutrinos de faible énergie qui optimise les opportunités de repérer des interactions cohérentes. Cela signifie que les neutrinos approchants voient la force faible du noyau dans son ensemble, conduisant à un effet plus important par rapport aux interactions non cohérentes.
Les détecteurs plus gros sont meilleurs pour effectuer des mesures de haute précision, et la technologie du détecteur CENNS-10 est facile à étendre en ajoutant simplement plus d'argon liquide.
Le détecteur CENNS-10 a été initialement construit au Fermilab par le collaborateur de COHERENT Jonghee Yoo. Lui et Tayloe l'ont apporté à IU et l'ont retravaillé là-bas avant qu'il ne soit installé à SNS en 2016. Newby et Efremenko avaient préparé le site SNS avec un blindage de plomb en couches, cuivre et eau pour éliminer les arrière-plans neutroniques.
La source de neutrons de spallation produit également des neutrinos en grande quantité. Crédit :Jason Richards/ORNL, Département américain de l'énergie
Après que les mesures initiales aient indiqué que l'expérience ne serait pas dominée par le bruit de fond, des revêtements à décalage de longueur d'onde ont été appliqués aux photodétecteurs et aux réflecteurs internes qui ont considérablement amélioré la collecte de la lumière. Le détecteur a été calibré en injectant du krypton-83m dans l'argon liquide pour permettre le calcul du nombre de photons présents.
Les résultats publiés ont utilisé 18 mois de données recueillies auprès du CENNS-10. L'analyse des données a révélé 159 événements CEvNS, conforme à la prédiction du modèle standard.
Les données de COHERENT aideront les chercheurs du monde entier à interpréter leurs mesures de neutrinos et à tester leurs théories sur une éventuelle nouvelle physique. L'empreinte calculable des interactions neutrino-noyau prédite par le Modèle Standard et vue par COHERENT a des applications pratiques, trop. "C'est un moyen de mesurer la distribution des neutrons à l'intérieur des noyaux et la densité des étoiles à neutrons, " a déclaré Efremenko. "C'est une contribution à la physique nucléaire et à l'astrophysique parce que les processus sont très similaires."
Différents types de détecteurs sont nécessaires pour des études complètes sur les neutrinos. Pour poursuivre l'objectif d'observer CEvNS sur une variété de noyaux, un détecteur de 16 kilogrammes à base de noyaux de germanium, qui sont plus gros que l'argon mais plus petits que le césium et l'iodure, sera installé dans Neutrino Alley l'année prochaine. Un réseau de détecteurs d'iodure de sodium a été installé pour compléter le détecteur d'iodure de césium en service là-bas depuis 2017.
Pendant ce temps, la collecte de données se poursuit 24h/24 et 7j/7 malgré COVID-19 car les collaborateurs de COHERENT surveillent à distance leur détecteur d'argon liquide. Ils aspirent à l'agrandir à l'échelle d'une tonne pour voir 25 fois plus d'événements par an et permettre l'observation de spectres d'énergie détaillés qui pourraient révéler des signatures de la nouvelle physique, y compris l'existence de neutrinos stériles qui n'ont pas d'interaction faible et, donc, ne démontrerait pas une interaction cohérente.
Finalement, ils aimeraient ajouter un 10 tonnes encore plus gros, détecteur d'argon liquide à la deuxième station cible de SNS. "Nous poussons sur la technologie pour que, à l'avenir, nous pourrons répondre à des questions qui demandent plus de précision, " a dit Newby.
