miércoles, 22 de julio de 2015

PLANES SUBTERRÁNEOS DEL SÚPER-KAMIOKANDE

Cortesía del Observatorio de Kamioka / CRR (Instituto de Rayos Cósmicos de Investigación de la Universidad de Tokyo) 

Uno de los detectores de neutrinos más grandes de la Tierra, es el Súper-Kamiokande, enterrado debajo de aproximadamente 1 kilómetro de roca en la montaña ubicada en Kamioka, Japón.
Su tanque está lleno de 50.000.000 de litros (alrededor de 13.209.000 galones) de agua ultra pura, que utiliza para buscar signos de partículas notoriamente difíciles de capturar.
Recientemente los miembros de la colaboración Súper-K dieron el visto bueno a un plan para hacer que el detector  mil veces más sensible con la ayuda de un compuesto químico llamado sulfato de gadolinio.

Los neutrinos se hacen en una variedad de procesos naturales. También se producen en los reactores nucleares, y los científicos pueden crear haces de neutrinos en los aceleradores de partículas. Estas partículas son eléctricamente neutras, tienen poca masa e interactúan débilmente con la materia - características que los hacen extremadamente difíciles de detectar, aunque billones vuelan por cualquier detector dado en cada segundo.
El Súper-K atrapa cada día unos 30 neutrinos que interactúan con el hidrógeno y el oxígeno en las moléculas de agua de su tanque. Mantiene su agua ultrapura con un sistema de filtración que elimina las bacterias, los iones y los gases.
Los científicos toman precauciones adicionales tanto para mantener limpia el agua ultrapura y evitar el contacto con la sustancia altamente corrosiva.
"Una vez alguien dejó caer un martillo en el tanque", dice Marcos Vagins experimentalista de la Universidad de Instituto Kavli de Tokio para la Física y Matemáticas del Universo. "Fue cromado para verlo bien y brillante. Finalmente encontramos el cromo y pero no el martillo”.
Cuando un neutrino interactúa en el detector Super-K, crea otras partículas que viajan a través del agua más rápido que la velocidad de la luz, creando un destello azul. El tanque está forrado con cerca de 13.000 detectores fototubo que pueden ver la luz.

Buscando reliquias de neutrinos
En promedio, varias estrellas masivas explotan, cada segundo, como supernovas en algún lugar del universo. Si la teoría es correcta, todas las supernovas que han explotado a lo largo de los 13.800.000.000 millones de años del universo, han echado trillones y trillones de neutrinos. Eso significa que el cosmos se iluminará en el fondo  en forma tenue, debido a los neutrinos reliquia. Los científicos podrían simplemente encontrar una manera de ver siquiera una fracción de esas partículas fantasmales.

Alrededor de la mitad del año, el detector Súper-K se utiliza en el experimento T2K, que produce un haz de neutrinos en Tokai, Japón, a unos 295 kilómetros (183 millas) de distancia, es el objetivo del Súper-K. 
Durante el viaje al detector, algunos de los neutrinos cambian de un tipo de neutrino a otro. Estudios efectuados en el experimento T2K de estos cambios, podría dar a los científicos pistas sobre por qué nuestro universo tiene mucho más materia que antimateria.

Pero un rayo T2K no se ejecuta de forma continua durante ese medio año. En su lugar, los investigadores envían un impulso del haz cada pocos segundos, y cada pulso dura sólo unos pocos microsegundos de largo.
Super-K todavía detecta neutrinos de los procesos naturales, mientras que los científicos los están ejecutando mediante T2K.

En 2002, en una reunión relacionada con los neutrinos efectuada en Munich, Alemania, el experimentalista Vagins y el teórico John Beacom de la Universidad Estatal de Ohio comenzaron a pensar en la forma en que mejor podrían utilizar el Super-K para espiar neutrinos originados en las supernovas reliquias del universo.
"Por lo menos un par de horas allí estábamos de pie en la estación de metro de Múnich en algún lugar bajo tierra, la eclosión nuestros planes subterráneos", dice Beacom.

Para seleccionar las pocas señales que provienen de los eventos de neutrinos, se tiene que luchar contra un repiqueteo constante de ruido de fondo ocasionado por otras partículas, son partículas cósmicas entrantes  tales como los muones (primo más pesado del electrón) o incluso electrones emitidos por sustancias radiactivas naturales en la roca que  pueden producir señales que se parecen a las que los científicos esperan encontrar de los neutrinos. Nadie quiere reclamar un descubrimiento que más tarde resulte ser una señal de una roca cercana.
Súper-K ya protege contra algunos de estos ruidos de fondo al estar enterrado bajo tierra; sin embargo, algunas partículas no deseadas pueden pasar, y es la razón por la cual  los científicos necesitan maneras de separar las señales que quieren  engañar a las señales de fondo.

Vagins y Beacom asentaron una idea y un nombre para la siguiente etapa del experimento: Gadolinio Antineutrino Detector celosamente superando Antiguo Kamiokande Súper (Gadzooks); y propusieron que sería necesario añadir 100 toneladas del gadolinio compuesto de sulfato-GD2 (SO4) 3-al agua ultrapura del Súper-K.

Cuando un neutrino interactúa con una molécula, libera un leptón cargado (un muón, electrón, tau o una de sus antipartículas), junto con un neutrón. Los neutrones son miles de veces más propensos a interactuar con el sulfato de gadolinio que con otra molécula de agua. Así que cuando un neutrino atraviesa Súper-K e interactúa con una molécula, su muones, electrones o antipartícula (Súper-K no puede ver partículas tau) generará un primer pulso de luz, y el neutrón creará un segundo pulso de luz: "dos pulsos, como un golpe-golpe", dice Beacom.
Por el contrario, un muón o electrones de fondo harán un único pulso de luz.
Para extraer sólo las interacciones de neutrinos, los científicos utilizarán Gadzooks! para centrarse en los eventos de dos señales y expulsar a los eventos de señal única, lo que reduce el ruido de fondo considerablemente.

El Prototipo
Pero no se puede simplemente añadir 100 toneladas de un compuesto químico a un enorme detector sin hacer algunas pruebas primero. Así Vagins y sus colegas construyeron una versión a escala reducida, que llamaron Evaluación Acción de gadolinio en sistemas de detección (EGADS). A 0,4 por ciento el tamaño de Súper-K, utiliza 240 de las mismas células fotoeléctricas y 200 toneladas (52.000 galones) de agua ultrapura.

En los últimos años, el equipo de Vagins ha trabajado extensamente para mostrar los beneficios de su idea. Un aspecto de sus esfuerzos ha sido la construcción de un sistema de filtración que elimina todo, desde el agua ultrapura a excepción del sulfato de gadolinio. Ellos presentaron sus resultados en una reunión de colaboración a finales de junio.
El 27 de junio, el equipo de Súper-K aprobó oficialmente la propuesta de añadir sulfato de gadolinio, pero cambió el nombre del proyecto a SúperK-Di-s. 
Los próximos pasos son para drenar Súper-K para comprobar que no haya fugas y repararlas, reemplazar cualquier fotocubos quemados y luego volver a llenar los tanques.

“Pero este proceso debe ser coordinado con el T2K”, dice Masayuki Nakahata, el portavoz de la colaboración Súper-K.
“Una vez que el tanque se rellena con agua ultrapura, los científicos sumarán las 100 toneladas de sulfato de gadolinio. Una vez que se añade el compuesto, el sistema de filtración actual podría eliminarlo en cualquier momento lo que les gustaría a los investigadores”, dice Vagins.
"Pero creo que una vez que tengamos esto en Súper-K y vemos el poder de ella, va a ser indispensable", dice. "Va a ser el tipo de cosas que la gente no quiere renunciar a la física adicional una vez que se acostumbre a ella."

Compilado de Symmetry 22.julio.2015