Colaboración coherente

La Colaboración Coherente (estilizada como Colaboración COHERENT ) es un esfuerzo multiinstitucional para medir la Dispersión Elástica Coherente Neutrino-Núcleo (CEvNS) utilizando la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Oak Ridge, Tennessee . ^{[ 1 ] [ 2 ]} La colaboración Coherente ha desplegado un conjunto de detectores con diferentes tecnologías de detección y núcleos objetivo con el objetivo de medir directamente la CEvNS, y esto se logró en 2017 con un detector de cristal centelleador de CsI [Na], convirtiéndolos en los primeros en el mundo en hacerlo. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Al tomar mediciones de la sección transversal de CEvNS para varios núcleos objetivo, la colaboración Coherente puede proporcionar una prueba sólida de las predicciones del modelo estándar. También hay oportunidades para estudiar varios efectos más allá del Modelo Estándar (BSM) , como la materia oscura y los neutrinos estériles . ^{[ 2 ] [ 6 ]}

El objetivo principal de la colaboración Coherent era observar la dispersión elástica coherente de neutrinos con núcleos (CEvNS, pronunciado / ˈ s ɛ v ə n s / como "siete-s"), que es una reacción nuclear en la que neutrinos de baja energía se dispersan al chocar con núcleos . Estos núcleos experimentan un retroceso nuclear y depositan parte de su energía en el medio del detector mediante ionización o excitación. Este proceso fue predicho por Daniel Z. Freedman en 1974 y fue observado directamente por primera vez por la colaboración Coherent en 2017. ^{[ 7 ] [ 4 ]} Desde entonces, se ha observado CEvNS (con una precisión de 3,7σ) a partir de una fuente de reactor nuclear con el experimento CONUS . ^{[ 8 ]}

CEvNS está bien definido en el Modelo Estándar , lo que permite comparar directamente las predicciones teóricas con las mediciones experimentales para comprobar la validez del modelo. ^{[ 7 ]} La sección transversal diferencial predicha por el Modelo Estándar muestra una dependencia dominante del número de neutrones en el núcleo objetivo, por lo que al medir las secciones transversales para una variedad de materiales objetivo (como argón , germanio , sodio , cesio y yodo ) y compararlas con los cálculos teóricos correspondientes para ese núcleo, cualquier desviación significativa del comportamiento predicho indicaría la presencia de física más allá del Modelo Estándar. ^{[ 2 ]}

La colaboración Coherent es sensible a varios efectos BSM, y explorar estas teorías es otro objetivo principal. La materia oscura es uno de esos efectos que se están estudiando, incluyendo la materia oscura producida por aceleradores, modelos de materia oscura leptofóbica sub-GeV y partículas masivas de interacción débil , que se espera que se dispersen coherentemente con los núcleos como un evento CEvNS. ^{[ 3 ] [ 9 ] [ 10 ]} Los experimentos Liquid Scinitillator Neutrino Detector y MiniBooNE informaron resultados que sugirieron un cuarto neutrino no interactuante llamado neutrino estéril, y la colaboración Coherent sería sensible a dicha partícula. ^{[ 6 ]} Las interacciones inelásticas neutrino-núcleo de varios núcleos también son de especial interés para varias causas. Por ejemplo, el experimento HALO monitorea el flujo de neutrinos de supernovas midiendo los neutrones inducidos por neutrinos emitidos en plomo, por lo que la colaboración Coherent ha desplegado un detector para medir la sección transversal de este efecto. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Medición de las interacciones inelásticas de neutrinos de la${\displaystyle ^{127}{\text{Yo}}}$El núcleo también es de especial interés para los experimentos de desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) para la reducción del fondo. ^{[ 13 ]} La colaboración Coherent también ha desplegado varios detectores de argón líquido para proporcionar mediciones de interacciones inelásticas de neutrinos del núcleo de argón, lo cual es de especial interés para el estudio de las oscilaciones de neutrinos solares, así como para el programa de física de baja energía del Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 13 ]}

A diferencia de un experimento típico que gira en torno a un único detector, la colaboración Coherent utiliza una serie de subsistemas de detectores más pequeños que se basan en diferentes núcleos objetivo y diferentes tecnologías de detección, todos trabajando para observar y medir CEvNS. Estos detectores están ubicados en lo que se conoce como el "corredor de neutrinos" en el SNS, que es una fuente de neutrinos de desintegración de piones en reposo que proporciona un flujo constante de neutrinos en el rango de decenas de MeV. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

A continuación se muestra una tabla que describe los distintos subsistemas de detectores utilizados para las mediciones de CEvNS, incluyendo detalles como los núcleos objetivo, la tecnología del detector, la masa del objetivo, la distancia a la fuente y el período de despliegue (que incluye el rango de operación o la fecha de inicio si aún está activo):

Además de estudiar CEvNS, la colaboración Coherent ha desplegado una serie de otros detectores con objetivos físicos distintos al estudio de CEvNS. A continuación, se presenta una tabla que describe estos subsistemas de detectores y detalles sobre su funcionamiento, como el nombre del detector, la tecnología del detector, el objetivo físico principal y el período de despliegue (que incluye el rango de operación o la fecha de inicio si aún está activo):

La idea de la colaboración Coherent que opera en el SNS se esbozó por primera vez en un documento técnico de 2012, lo que finalmente llevó a la aprobación de la financiación en 2013. ^{[ 24 ]} El primer detector fue un  cristal centelleador de CsI[Na] dopado de 14,6 kg desplegado en 2015, y se utilizó para la primera detección de CEvNS en 2017. ^{[ 4 ]} Desde entonces, la colaboración Coherent ha desplegado varios detectores diferentes y de mayor tamaño, lo que ha dado como resultado la primera detección de CEvNS en núcleos de argón y germanio. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

El SNS también tiene planes de actualización que beneficiarán a la colaboración Coherent, incluyendo una mejora del haz de protones del SNS que aumentará la potencia a 2 MW para 2025, y una segunda estación objetivo que se prevé que esté operativa en la década de 2030. Esto elevará la potencia final a 2,8 MW con los protones divididos entre las dos estaciones. ^{[ 13 ]}

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35°57′11″N 84°18′00″W / 35.95298°N 84.30001°W / 35.95298; -84.30001