Neutrino's behoren tot de meest ongrijpbare deeltjes die de wetenschap welbekend is. Deze kleine subatomaire deeltjes hebben geen elektrische lading en een extreem kleine massa, waardoor ze ongelooflijk moeilijk te detecteren zijn. Ze worden in overvloed geproduceerd door de zon, maar ook door kernreacties op aarde en in supernova's. Ondanks hun ongrijpbare aard willen wetenschappers graag neutrino's detecteren, omdat ze waardevolle informatie kunnen verschaffen over de processen die deze produceren.

Neutrino's interageren zo zelden met materie dat er een heel speciaal soort detector voor nodig is om ze op heterdaad te betrappen. Deze detectoren zijn verkrijgbaar in een aantal verschillende smaken, die elk hun unieke methode gebruiken om deze ongrijpbare deeltjes te detecteren. In dit artikel gaan we dieper in op de werking van deze detectoren en op enkele van de meest opvallende voorbeelden van neutrinodetectoren ter wereld.

Geduld en schaal

De moderne natuurkunde vertelt ons dat er ongeveer 100 biljoen neutrino's door je lichaam gaan elke seconde. Je zou denken dat deze deeltjes gemakkelijk te vinden zijn omdat ze zo algemeen voorkomen, maar dat is allesbehalve het geval. Deze ultralichte ongeladen deeltjes interageren zo zelden met materie dat het detecteren ervan een nogal gespecialiseerde experimentele opstelling vereist.

De eerste succesvolle neutrinodetectie werd in 1956 bereikt door Frederick Reines en Clyde Cowan. Er werden twee doelen gemaakt met behulp van een oplossing van cadmiumchloride in water, met scintillatiedetectoren naast de doelen. Antineutrino's uit een kernreactor ondergingen een "omgekeerd bèta-verval" met protonen in het water. Bij deze reactie veranderde het proton in een neutron en het antineutrino in een positron. Het positron vernietigde snel met een elektron, waardoor een gammastraal vrijkwam, terwijl het neutron werd opgevangen door een cadmiumkern, die zelf een paar microseconden later een gammastraal vrijgaf. Door de gammastraling van deze gebeurtenissen vast te leggen, bewees het duo een succesvolle detectie van een antineutrino, waardoor ze later in 1995 de Nobelprijs zouden krijgen.

Deze methode was nuttig voor het detecteren van neutrino's, maar niet meer dan dat. Om meer over het universum te weten te komen, moesten natuurkundigen neutrino's gedetailleerder bestuderen en hun natuurlijke bronnen, hun interacties en hun gedrag bepalen. Zo zijn er in de loop der jaren verschillende, meer geavanceerde detectoren gebouwd. Veel hiervan vinden op grote schaal plaats, waarbij honderden tonnen hiervan of duizenden tonnen daarvan betrokken zijn. De enorme schaal is vaak nodig om een ​​zeldzame interactie met een neutrino vast te leggen, gezien hun neiging om zonder enige interactie door grote stukken materiaal te gaan.

Cherenkov-straling

Een modernere en populaire methode voor neutrinodetectie is via Tsjerenkovstraling, die wetenschappers rijkere informatie over neutrino's en hun oorsprong heeft opgeleverd. Wanneer een neutrino sneller beweegt dan de lichtsnelheid in een bepaald materiaal, zoals water, wordt Tsjerenkovstraling geproduceerd in een soort optische schokgolf, analoog aan een vliegtuig dat de geluidssnelheid in de lucht verbreekt. De vrijkomende lichtring kan worden gedetecteerd met eenvoudige fotovermenigvuldigingsbuizen. Met een geschikte reeks fotodetectoren kan het mogelijk zijn om de richting en het energieniveau van invallende neutrino's te bepalen.

Deze detectoren maken gebruik van grote tanks gevuld met water, zwaar water of olie, en zijn uitgerust met sensoren die de zwakke flitsen van Cherenkov-straling kunnen detecteren die worden geproduceerd wanneer een neutrino in wisselwerking staat met materie. Een goed voorbeeld van een water-Tsjerenkov-detector is de Super Kamiokande in Japan, een enorme ondergrondse tank met 50,000 ton ultrazuiver water, bekleed met 11,000 fotomultiplicatorbuizen. Het hele experiment wordt een kilometer onder de grond begraven, waardoor het wordt beschermd tegen andere natuurverschijnselen zoals kosmische straling. Het zal de komende jaren worden vervangen door de Hyper-Kamiokande. Een ander voorbeeld is het Sudbury Neutrino Observatory, met 1,000 ton zwaar water omgeven door een cilinder met gewoon zuiver water. Het experiment is in staat de gammastraling op te vangen die vrijkomt wanneer een neutrino een deuteriumatoom in het zware water afbreekt.

De MiniBooNE-detector werkt volgens hetzelfde scintillatieprincipe, maar gebruikt olie als medium in plaats van water. Het werd ontworpen om het concept van te onderzoeken neutrino oscillatie, waarbij neutrino’s in de loop van de tijd tussen verschillende ‘smaken’ veranderen. Het experiment zocht naar de signatuur van een elektronenneutrino die een neutron raakt – wat een elektron plus een langzaam bewegend proton zou genereren – wat zelden voorkomt. Dit zou worden vergeleken met de kenmerken van meer algemene gebeurtenissen waarbij muon-neutrino's protonen raakten, waardoor een muon en een proton ontstonden. Deze verschillende gebeurtenissen kunnen worden bepaald door lichtpatronen die worden gedetecteerd door de fotomultipliers van het experiment, omdat verschillende deeltjes met verschillende snelheden hun eigen veelbetekenende patronen van Tsjerenkov-straling creëren.

Andere Cherenkov-detectoren mijden het gebruik van een gigantische, speciaal gebouwde container, maar kiezen ervoor om te profiteren van natuurlijk bestaande water- of ijsmassa's. Het Antares-experiment bevindt zich op de bodem van de Middellandse Zee, 2.5 km onder het oppervlak. Als gevolg hiervan moet het licht filteren dat wordt veroorzaakt door zaken als radioactief verval van kalium-40 in zeezout en bioluminescente organismen. Ondertussen gebruiken de AMANDA- en IceCUBE-experimenten op de Zuidpool fotodetectoren in gaten die diep in het ijs zijn geboord.

Tijdprojectiekamers

Tijdprojectiekamers vertegenwoordigen een andere methode voor neutrinodetectie, waarbij een neutrino-interactie atomen in een gas of vloeistof ioniseert, en het resulterende spoor van geladen deeltjes vervolgens wordt gedetecteerd. Het DUNE-experiment in South Dakota, VS, dat momenteel in aanbouw is, is een voorbeeld van een project waarbij deze methode wordt toegepast. Met zijn vier enorme detectoren, die elk duizenden tonnen vloeibaar argon bevatten, wil DUNE neutrino's met ongekende precisie bestuderen. De dichtheid van het vloeibare argon vergroot de kans op een interactie met een neutrino.

Tijdprojectiekamers maken gebruik van lichtdetectie, net als scintillatorexperimenten, maar gaan ook verder. De kamers gebruiken een kathodevlak om een ​​elektrisch veld door de kamer te creëren. Aan de andere kant van de kamer bevinden zich meerdere vlakken van parallelle anodedraden. Binnenvlakken worden doorgaans inductieroosters genoemd, waardoor zogenaamde drift-elektronen van neutrino-deeltjesinteracties kunnen passeren. Als een driftelektron een draad in het inductievlak passeert, veroorzaakt dit een stroomstoot in de draad die kan worden opgevangen. Naast de een of meer inductieroosters pikt een verzamelrooster vervolgens direct elektronen op, waardoor een signaal wordt afgegeven voor verzameling. Het voordeel van het hebben van meerdere vlakken van anoderoosters is dat het een tweedimensionale reconstructie van een ionisatiegebeurtenis mogelijk maakt wanneer een elektron wordt opgepikt terwijl het door de meerdere roosters beweegt.

Gallium

Als je minder geïnteresseerd bent in directionaliteit en meer geïnteresseerd bent in de hoeveelheden neutrino-interacties, kan vloeibaar metaal een handig hulpmiddel zijn. In een galliumdetector passeren neutrino's een tank gevuld met, wacht erop, gallium. Dankzij de door neutrino's geïnduceerde inverse bèta-vervalreactie zorgt het neutrino dat inslaat op het galliumatoom ervoor dat een van de neutronen van het atoom een ​​proton wordt, waardoor gallium in germanium verandert en een elektron vrijkomt. Het geproduceerde germanium kan chemisch worden gewonnen en vanwege zijn instabiliteit kan het verval ervan worden gedetecteerd proportionele tellers.

Het GALLEX-experiment in Italië is een van de opmerkelijke voorbeelden van op gallium gebaseerde neutrinodetectoren. De GALLEX-detector, diep onder de grond geplaatst om hem tegen kosmische straling te beschermen, bestond uit een tank met 30 ton vloeibaar gallium en liep van 1991 tot 1997. Dit experiment speelde een cruciale rol bij het bestuderen van zonne-neutrino's, en de resultaten ervan hebben aanzienlijk bijgedragen aan onze inzicht in de zon en haar processen. De opvolger ervan was het Gallium Neutrino Observatorium, dat in bedrijf was van 1998 tot 2003. Het Sovjet-Amerikaanse Gallium Experiment, of SAGE, was een andere langlopende op gallium gebaseerde neutrinodetector. Deze experimenten werden gewaardeerd vanwege hun vermogen om neutrino's met lage energie te detecteren, hoewel ze duur waren vanwege de behoefte aan vele tonnen gallium, hetzij in vloeibare metaalvorm, hetzij als een galliumtrichloride-zoutzuuroplossing.

Conclusie

De aard van de hedendaagse deeltjesfysica is dat er een grote verscheidenheid aan grootschalige experimenten nodig is om allerlei soorten fenomenen te onderzoeken. Dit is geenszins een uitputtende lijst van neutrinodetectiemethoden, maar in plaats daarvan een leidraad voor de vele methoden die kunnen worden gebruikt om deze ongrijpbare deeltjes op te sporen. Er zullen nieuwe en opwindendere detectoren worden gebouwd, die ons hopelijk meer geheimen zullen onthullen over de subatomaire deeltjes dan de fundamentele waar we over leren in de natuurkunde op de middelbare school. Als je momenteel deeltjesfysica op universitair niveau studeert, werk je misschien wel aan een van deze geavanceerde neutrinoprojecten!

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://hackaday.com/2023/11/14/detecting-neutrinos-the-slippery-ghost-particles-that-dont-want-to-interact/