Neutrinos e antineutrinos são partículas quase sem massa produzidas em muitas reações nucleares, incluindo a fissão de urânio nas usinas nucleares na Terra e nas reações de fusão no núcleo do sol.
Mas eles são diabolicamente difíceis de detectar – a maioria passa pela Terra sem parar – dificultando o estudo das reações nucleares que ocorrem no centro das estrelas ou em explosões estelares ou para monitorar usinas nucleares para obter a produção ilícita de materials de bomba.
Um novo tipo de detector de neutrinos agora sendo testado em um vasto laboratório subterrâneo da Universidade da Califórnia, Berkeley, foi projetado para aproveitar as mais recentes tecnologias para aprimorar a sensibilidade e as capacidades dos detectores antineutrinos. Esses detectores aprimorados não apenas ajudariam a detectar, localizar e caracterizar materials nuclear especial não declarado sendo usado contrário às regulamentações federais ou internacionais, mas também ajudará os cientistas a explorar a física basic das partículas e suas interações profundamente no núcleo do átomo.
Chamado EOS, para a deusa do Titã do Amanhecer, o aparelho sinaliza “o início de uma nova period da tecnologia de detecção de neutrinos”, de acordo com Gabriel Orebi GannProfessor Associado de Física da UC Berkeley, cientista do corpo docente do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e líder da colaboração da EOS.
O detector de protótipo é financiado pela Administração Nacional de Segurança Nuclear, que financia pesquisa e desenvolvimento no Departamento de Energia (DOE) Labs para promover a capacidade do país de detectar, prevenir, combater e responder a ameaças à segurança nuclear – no caso desta pesquisa, Para detectar e caracterizar as atividades e materiais nucleares remotamente, ou seja, a distâncias maiores que cerca de 100 metros. Embora a radioatividade do materials nuclear possa ser protegida da detecção, os antineutrinos produzidos nas reações de fissão não podem. Como os bilhões são produzidos em um reator a cada nanossegundo, a EOS deve ser capaz de detectar antineutrinos suficientes para identificar a produção clandestina de materials de grau de bomba.
“A idéia de detecção de neutrinos é que você não pode falsificá -lo, não pode protegê -lo, não pode fingir. Os neutrinos viajam quase a velocidade da luz, para que eles forneçam detecção quase instantânea, mesmo à distância. Eles oferecem uma assinatura única de atividade nuclear ”, disse Orebi Gann. “Se você está muito longe ou tem uma assinatura muito fraca, precisa de um grande detector. E para um grande detector, você precisa de líquido. ”
Zara Bagdasarian/UC Berkeley
O EOS é um cilindro de 10 metros de altura e 5 metros de largura, cheio de água e um cintilador orgânico e cercado por detectores de luz três vezes mais sensíveis do que os usados hoje em experimentos de física. A melhor sensibilidade da EOS e maior resolução vêm da combinação de duas das melhores técnicas de hoje para detectar neutrinos: cintilação e emissão de Cherenkov.
As melhorias podem ser um mudança de jogo para futuros projetos de física de neutrinos, como o profundo experimento de neutrino subterrâneo (Dune) agora sendo construído em uma mina de ouro abandonada na chumbo, Dakota do Sul, para detectar neutrinos emitidos por um acelerador de partículas no Laboratório Nacional de Fermi , 500 milhas de distância em Illinois. O UC Berkeley e o Berkeley Lab são membros da Dune Collaboration.
“O que gostaríamos de construir é um detector muito maior chamado Theia”, disse ela. “Theia é a deusa do titã da luz e a mãe de Eos no panteão dos deuses. O native superb para Theia está naquela mina em Dakota do Sul, vendo esses neutrinos do Fermilab. ”
Resta saber se Theia – que empregaria um tanque grande o suficiente para quase engolir a estátua da liberdade – substituirá um dos quatro detectores de argônio líquido planejado de Dune. Orebi Gann argumenta que um detector híbrido como Theia, enquanto fornece sensibilidade comparável ao estudo do feixe de alta energia de neutrinos que é o principal alvo da duna, adicionaria novos recursos além de um detector de argônio, incluindo a capacidade de detectar antineutrinos. Theia também teria uma precisão de 2 graus para a localização de uma supernova através da explosão de neutrinos e teria a capacidade de procurar neutrinos solares de baixa energia e neutrinos majorana.
Um detector híbrido de neutrinos
O EOS é único em ser um híbrido dos dois principais tipos de detectores de neutrinos líquidos, os quais começam com um tanque de líquido.
Thor Swift/Berkeley Lab
Uma técnica é baseada em um cintilador – neste caso, alquilbenzeno linear – que emite luz em resposta às partículas carregadas produzidas durante as interações com um neutrino ou antineutrino.
Neutrinos e antineutrinos também podem interagir com outros materiais, como a água, para produzir um elétron, que emite sua própria luz, embora muito mais fraca que a luz de cintilação. Este último é chamado de radiação Cherenkov e é emitido quando o elétron passa pelo líquido mais rápido que a velocidade da luz no líquido, semelhante à energia acústica de um increase sônico produzido por um plano que viaja mais rápido que a velocidade do som.
Em ambas as técnicas, detectores de luz sensíveis chamados tubos fotomultiplicadores são dispostos ao redor do tanque para registrar a intensidade da luz fraca. A intensidade da cintilação fornece informações sobre a energia do neutrino ou antineutrino. A radiação Cherenkov, no entanto, é emitida em um cone, para que possa fornecer informações sobre a direção da qual o neutrino veio, uma informação crítica para o estudo de fontes de reator nuclear, bem como fontes cósmicas de neutrinos.
“Os tubos fotomultiplicadores são sensíveis aos níveis de luz de fótons únicos”, disse Orebi Gann. “Mas um cintilador líquido oferece muito mais luz: se você tem um elétron com a mesma energia, receberá 50 vezes mais luz, dependendo do cintilador, do que da emissão de Cherenkov. Isso significa que você obtém melhor precisão para entender onde a energia foi depositada e quanta energia havia. ”
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“Dissemos, okay, não queremos escolher e escolher. Não gostamos de comprometer. Nós queremos os dois. E esse é o objetivo aqui. Queremos a topologia da luz Cherenkov, mas a resolução da cintilação ”, disse ela.
O problema é que a luz da cintilação é tão brilhante que sobrecarrega a luz Cherenkov.
Felizmente, a luz de Cherenkov sai em uma explosão de picossegundo, enquanto a luz de cintilação permanece para nanossegundos.
“Se você tem detectores de fótons muito rápidos, pode usar a diferença de horário para ajudar a separar essas duas assinaturas”, disse ela. A EOS cercará o tanque líquido com 242 tubos de fotomultiplieiros feitos pela empresa japonesa Hamamatsu, três vezes mais rápida que os fotomultiplicadores atuais.
A região visível da luz Cherenkov possui um espectro de cores mais vermelho que a luz de cintilação, que é principalmente azul. A equipe aproveita isso ao redor da primeira fila de fotomultiplicadores com um filtro “dicróico” que reflete a luz vermelha de Cherenkov para o fotomultiplicador, mas permite que a luz de cintilação azul passe para fotomultiplistas nas costas.
“Você está basicamente classificando seus fótons por comprimento de onda e direcionando -os para diferentes detectores de fótons com base no comprimento de onda”, disse ela.
Thor Swift/Berkeley Lab
Orebi Gann e sua equipe começaram a montar EOS em setembro, atrasado por seis semanas pela destruição do primeiro tanque de aço quando o caminhão que o transportou colidiu com um viaduto. Os tanques são tão grandes que os pesquisadores tiveram que abrigar o experimento em um grande laboratório do porão – anteriormente ocupado por um reator nuclear – operado pelo Departamento de Engenharia Nuclear da UC Berkeley.
Eles cercaram o tanque de acrílico com os tubos fotomultiplicadores e depois levantaram a montagem inteira em um tanque de aço cilíndrico. O tanque de acrílico interno e a lacuna entre os tanques de acrílico e aço foram então preenchidos com água pura, submergindo os tubos fotomultiplicadores na lacuna. Depois que a equipe testa a capacidade da EOS de detectar a luz Cherenkov de fontes radioativas artificiais e muons cósmicos naturais, eles gradualmente adicionarão materials de cintilador para testar a capacidade do experimento de discriminar os dois tipos de emissões de luz.
“Também projetamos nosso detector para que possamos implantar um cintilador líquido puro”, disse Orebi Gann. “Este seria o teste last: se ainda pudermos ver a assinatura de Cherenkov, mesmo com o componente de cintilação máximo”.
Os planos exigem explorar como os EOS podem monitorar pequenos reatores modulares e navios marítimos movidos a energia nuclear e verificar a transparência do website de teste.
Orebi Gann está ansioso para empregar o projeto de EOS em estudos gerais de física de neutrinos, como medir o fluxo de neutrinos do núcleo do sol para verificar as reações nucleares previstas que o alimentam; investigações de fontes terrestres de neutrinos; Mapeando o fundo difuso da supernova neutrina na Through Láctea e além; e a busca contínua por uma decaimento beta dupla de neutrinidade, o que indicaria que um neutrino é sua própria antipartícula.
Todas essas perguntas já estão sendo exploradas com os detectores Scintillator ou Cherenkov, mas Orebi Gann espera que um detector híbrido acelere o progresso.
“O mesmo tipo de física que cada um desses detectores fez no passado, poderíamos fazer melhor”, disse ela. “Esse é o objetivo. É P&D para a próxima geração. ”
