Neutrino's zijn enkele van de meest voorkomende, nieuwsgierige en ongrijpbare beestjes in de deeltjesfysica. Sommigen van hen bestaan al sinds de oerknal en, net zoals je dit hebt gelezen, zijn er biljoenen van hen door je lichaam gegaan (en er zijn er meer onderweg). Maar ondanks hun alomtegenwoordigheid zijn neutrino's notoir moeilijk te bestuderen, juist omdat ze negeer vrijwel alles wat uit iets anders is gemaakt. Het is dus niet verwonderlijk dat het wegen van een neutrino niet zo eenvoudig is als iemand beleefd te vragen op een schaal te stappen.
Gelukkig zijn deeltjesfysici een vasthoudend lot, waaronder die van Fermilab van het Amerikaanse Department of Energy, en ze geven hun nieuwste neutrinosafari niet op: het NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance-experiment of NOvA. (Wetenschappers vertegenwoordigen neutrino's met de Griekse letter nu, ofv.) Het is een jacht op heel klein wild om tijdens de vlucht neutrino's te vangen, en het gebruikt een aantal zeer grote uitrusting om het werk te doen. En het heeft zijn eerste neutrino's al vastgelegd - nog voordat hun configuratie volledig is voltooid.
Gemaakt door protonen tegen grafietdoelen te slaan in de fabriek van Fermilab, net buiten Chicago, Illinois, worden resulterende neutrino's verzameld en uitgeschoten in een straal 500 mijl ten noordwesten van de NOvA-verre detector in Ash River, Minnesota, gelegen langs de Canadese grens. De allereerste balken werden in september 2013 afgevuurd, terwijl de Ash River-faciliteit nog in aanbouw was.
"Dat de eerste neutrino's zijn gedetecteerd nog voordat de installatie van de NOvA-verre detector voltooid is, is een echt eerbetoon aan alle betrokkenen", zegt natuurkundige Marvin Marshak van de Universiteit van Minnesota, Ash River Laboratory-directeur. "Dit vroege resultaat suggereert dat de NOvA-samenwerking in de nabije toekomst een belangrijke bijdrage zal leveren aan onze kennis van deze deeltjes."
De stralen van Fermilab worden afgevuurd met intervallen van twee seconden, die elk miljarden neutrino's rechtstreeks naar de detectoren sturen. De nabije detector bij Fermilab bevestigt de initiële "smaak" van neutrino's in de straal, en de veel grotere verre detector bepaalt vervolgens of de neutrino's zijn veranderd tijdens hun drie milliseconde ondergrondse reis tussen de staten.
Nogmaals, omdat neutrino's niet gemakkelijk interageren met gewone deeltjes, kunnen de stralen gemakkelijk dwars door de grond reizen tussen de faciliteiten - ondanks de kromming van de aarde. In feite gaat de straal, die 150 voet (45 meter) onder de grond bij Chicago begint, uiteindelijk meer dan 6 mijl (10 km) diep tijdens zijn reis.
Volgens een persbericht van Fermilab komen neutrino's voor in drie soorten, smaken genaamd (elektron, muon of tau), en wisselen ze tijdens het reizen. De twee detectoren van het NOvA-experiment zijn zo ver uit elkaar geplaatst dat ze de neutrino's de tijd geven om met bijna de snelheid van het licht van de ene smaak naar de andere te oscilleren. Hoewel slechts een fractie van de grotere detector van het experiment, de verre detector genoemd, volledig is gebouwd, op dit moment gevuld met scintillator en bedraad met elektronica, heeft het experiment het al gebruikt om signalen van zijn eerste neutrino's op te nemen. "
De 50 voet (15 m) hoge detectorblokken zijn gevuld met een vloeibare scintillator die is gemaakt van 95% minerale olie en 5% vloeibare koolwaterstof, pseudocumene genaamd, wat giftig is maar "noodzakelijk voor het neutrinodetectieproces." Het mengsel vergroot elk licht dat erop valt, waardoor de neutrino-aanvallen gemakkelijker kunnen worden gedetecteerd en gemeten. (Bron)
"NOvA vertegenwoordigt een nieuwe generatie neutrino-experimenten", zegt Fermilab-directeur Nigel Lockyer. "We zijn trots om deze belangrijke mijlpaal te bereiken op weg naar meer informatie over deze fundamentele deeltjes."
Na voltooiing deze zomer wegen NOvA's nabije en verre detectoren respectievelijk 300 en 14.000 ton.
Het doel van het NOvA-experiment is om de massa's van de verschillende neutrino-smaken met succes vast te leggen en te meten en ook te bepalen of neutrino's hun eigen antideeltjes zijn (ze kunnen hetzelfde zijn, omdat ze geen specifieke lading hebben). Door de oscillaties (dwz smaak) te vergelijken veranderingen) van muon-neutrino-stralen versus muon-antineutrino-stralen afgevuurd door Fermilab, hopen wetenschappers hun massahiërarchie te bepalen - en uiteindelijk te ontdekken waarom het heelal momenteel veel meer materie bevat dan antimaterie.
Lees meer: Neutrino-detectie kan helpen om een geheel nieuwe afbeelding van het universum te schilderen
Zodra het experiment volledig operationeel is, verwachten wetenschappers elke dag een paar neutrino's te vangen - ongeveer 5.000 in de loop van zes jaar. Tot die tijd hebben ze in ieder geval nu hun eerste paar in de boeken.
“Het zien van neutrino's in de eerste modules van de detector in Minnesota is een belangrijke mijlpaal. Nu kunnen we natuurkunde gaan doen. '
- Rick Tesarek, Fermilab-natuurkundige
Lees hieronder meer over de ontwikkeling en constructie van het NoVA-experiment:
(Videokrediet: Fermilab)
Lees hier meer over de onderzoeksdoelen van NOvA.
Bron: persbericht van Fermilab
De NOvA-samenwerking bestaat uit 208 wetenschappers van 38 instellingen in de Verenigde Staten, Brazilië, Tsjechië, Griekenland, India, Rusland en het Verenigd Koninkrijk. Het experiment wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, de National Science Foundation en andere financieringsinstanties.
