Crédito foto CERN
El Deep Underground Neutrino Experiment – DUNE - está avanzando en la tecnología de uso común
en experimentos de materia oscura y escalando a tamaños récord.
Es un momento emocionante en la física de partículas. Rompecabezas
abundan. Hay indicios de cosas que no encajan con el mejor modelo del
universo de los científicos, y los investigadores se inspiran unos a otros
mientras investigan todos.
Un ejemplo reciente proviene del Deep Underground Neutrino Experiment [DUNE], un proyecto internacional de mega science con más de 1.100 científicos de 32 países. Está
alojado en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía
en Batavia, Illinois. Fermilab enviará un haz de partículas llamadas
neutrinos directamente a través de 1300 km (800 millas) de tierra a un enorme
detector de partículas - cuatro módulos que contienen 70,000 toneladas totales
de argón líquido - que se alojarán en la Instalación de Investigación
Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Los científicos esperan aprender
más sobre las propiedades de estas partículas misteriosas, que podrían tener
algo que ver con el motivo por el cual existe la materia.
The Science of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)
Uno de
los prototipos de los enormes módulos del detector DUNE utilizará un concepto que es relativamente nuevo para la ciencia
de neutrinos, pero familiar para los investigadores de otras partes de la
física de partículas: el detector de doble fase.
Aprender de las búsquedas de materia oscura
La
materia viene en diferentes fases, las más familiares son sólidas, líquidas y
gaseosas. Todos los detectores de partículas de doble fase hasta la fecha
tienen una cosa en común: usan una combinación de fases líquida y
gaseosa. Esto también será cierto para DUNE, cuyo módulo de doble fase de
argón líquido y gaseoso lo convertirá en el detector de doble fase más grande
que se haya creado cuando esté en línea a mediados de la década de 2020.
Los
detectores de doble fase pueden registrar una interacción de partículas dos
veces: primero cuando ocurre la colisión en el líquido, creando un destello de
luz, y nuevamente cuando el rociado resultante de partículas ingresa al área
llena de gas y produce aún más señales. Tener estos dos indicadores
permite una reconstrucción especialmente precisa y clara de la interacción
original.
El investigador Jae Yu comprueba los
componentes dentro del detector ProtoDUNE de doble fase. Crédito de la foto : CERN
Los experimentos de Neutrino que usan tecnología de
doble fase han comenzado a surgir solo en los últimos años, pero ha sido un
estándar de la industria para experimentos de materia oscura durante mucho más
tiempo.
Los neutrinos y la materia oscura son dos de los mayores misterios de la física de partículas en
la actualidad. Los neutrinos rara vez interactúan con la materia, y tomó
aproximadamente 25 años desde la "invención" teórica de los neutrinos
hasta su detección real en 1956.
Hoy, los
neutrinos intrigan a los científicos con sus pequeñas pero inesperadas masas y
su capacidad de transformarse entre al menos tres tipos diferentes cuando
viajan por todo el universo.
La materia oscura nunca se ha observado directamente,
pero los científicos infieren la existencia de estas partículas propuestas a partir
de evidencia indirecta, como la velocidad improbable a la que las galaxias
giran sin separarse.
La tecnología de doble fase para
detectores de materia oscura, originalmente propuesta en la década de 1970,
está bien establecida y ha ayudado a producir resultados líderes de materia
oscura durante la última década, afirma Cristian Galbiati, físico de Princeton
y portavoz del experimento de materia oscura DarkSide-50 actualmente.
recolectando datos en el Laboratorio Nacional Gran Sasso de INFN en Italia.
Al igual que DUNE, DarkSide usa
argón como medio de detección. Pero cada experimento enfrenta sus propios
desafíos particulares. Por un lado, a diferencia de DUNE, DarkSide no debe
tener ruido de fondo, señales que podrían malinterpretarse como un descubrimiento
de partículas de materia oscura.
"Tan pronto como tienes un evento de fondo, eres
un brindis", dice Galbiati. "Se ha comprobado que los detectores de doble fase ofrecen una
condición completamente libre de fondo si el argón está limpio".
Esto significa que el experimento
tiene que usar argón con muy baja radiactividad, especialmente adquirida y
destilada de una fuente subterránea en Colorado. También será cierto que, para
la próxima generación del experimento, el DarkSide-20k, requerirá 20 toneladas
de argón ultra puro.
Los investigadores que trabajan en múltiples
detectores de materia oscura a pequeña escala que utilizan argón, incluyendo
DEAP 3600, ARDM, MiniCLEAN y DarkSide-50, se han unido y han formado la
Colaboración Global Dark Matter Argon para trabajar en el detector de próxima
generación, programado para en línea en Gran Sasso en 2022. Le seguirá una
versión aún más grande alrededor de 2027.
Argón no es el único juego en la ciudad. Otros
detectores de fase doble de la materia oscura usan diferentes gases nobles,
como el xenón en LUX o el experimento LUX-ZEPLIN de la siguiente generación. LZ
usará 10 toneladas del material y debería ver "primero a oscuras" en
2020.
Tubos
fotomultiplicadores, que recogen la luz, se instalaron en este marco para el
experimento LUX de materia oscura.- Crédito: CH Faham / LUX
Como
el prototipo DUNE de doble fase, el detector LZ es un instrumento grande y
complicado con muchos sistemas diferentes que deben unirse, dice Dan McKinsey,
co-portavoz de LUX y científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC
Berkeley, que está trabajando. en LZ. Él enumera algunos de los avances
tecnológicos en los que está trabajando el proyecto que también son relevantes
para los detectores de neutrinos de doble fase como DUNE: "Alto voltaje, recolección de luz, pureza, estos desafíos a toda
escala". Se convierten en desafíos más grandes a medida que los
detectores crecen ".
Tecnologías de empuje con DUNE de doble fase
DUNE
hará uso de los módulos de detector monofásico y bifásico en el sitio remoto
del experimento en Dakota del Sur.
La
tecnología monofásica del argón, que utiliza solo argón líquido, ya se ha
demostrado en experimentos de neutrinos de corta distancia, como MicroBooNE en
Fermilab, que usa un detector del tamaño de un autobús escolar, y en
experimentos de larga distancia, como ICARUS, un 760 -ton detector que
anteriormente operaba en Gran Sasso utilizando un haz de neutrinos que viajó 725 km (450 millas ) desde el CERN, el Centro Europeo de Investigación
Nuclear. Y la tecnología neutrinos de doble fase hizo un progreso
significativo con el detector
WA105 3X1X1.
Sin
embargo, cuando está creando algo tan grande como DUNE, quiere ejecutar pruebas
para asegurarse de que todo funcione como se espera. Con ese fin, los
colaboradores están construyendo enormes bancos de prueba monofásicos y de
doble fase llamados detectores Proto DUNE en el CERN.
En la
nueva plataforma de neutrinos del laboratorio, dirigida por Marzio Nessi, los
científicos están completando los dos detectores de 800 toneladas para dar a
las tecnologías para DUNE una prueba final.
Crédito de la foto: CERN
"El objetivo de estos dispositivos es desarrollar la
tecnología y asegurarnos de hacer las cosas de la manera correcta", dice Filippo Resnati, coordinador técnico de la instalación de
neutrinos en el CERN. "Pero
también es muy agradable saber que a pesar de estas pruebas, estas son las dos
cámaras de proyección de líquido de argón más grandes que se hayan construido,
y de lejos en el menor tiempo".
El prototipo monofásico debe terminar de rellenarse
con argón líquido y debe ponerse en marcha antes de que finalice el verano, al
ver las primeras pistas de partículas en el otoño. El prototipo de doble
fase recientemente terminó la primera prueba de un componente clave llamado
plano de lectura de carga, o CRP, que amplificará los electrones en el gas y
recogerá sus señales. Los CRP y otros componentes deberían instalarse este
otoño.
"Tenemos que asegurarnos de trabajar juntos como
equipo y de que cada una de estas tecnologías puede funcionar", dice Jae Yu, un físico de la Universidad de Texas en Arlington
que trabaja en la ProtoDUNE de doble fase. "Siempre es mejor tener diferentes tecnologías para que podamos
verificar el uno al otro".
Algunas de las ventajas de
utilizar la tecnología de doble fase son, en comparación con la configuración
monofásica, señales más fuertes y más limpias y un umbral de energía más bajo,
lo que significa que el detector puede ver neutrinos de menor energía. La
amplificación de los electrones en el gas hace que la señal se destaque del
ruido de fondo. Los detectores monofásicos intentan captar la señal lo
antes posible, lo que significa que los componentes electrónicos están
generalmente dentro del detector, dentro del argón líquido a una temperatura
criogénica. Por el contrario, los componentes electrónicos del detector de
doble fase se alojarán en chimeneas especiales accesibles desde el exterior.
"Se puede acceder a la electrónica en cualquier
momento que se necesite, sin contaminar el argón líquido", dice Dario Autiero, líder del proyecto DUNE para los grupos del
Instituto Nacional Francés de Física Nuclear y de Partículas (IN2P3). "Este concepto y el diseño de la
electrónica son innovadores, y llevó mucho tiempo desarrollarlos".
Otra ventaja: casi todo el argón
líquido dentro del detector de doble fase es una gran región productora de
señal, lo que hace que el análisis de datos sea menos complicado. Por el
contrario, los detectores monofásicos se segmentan en fragmentos, lo que
significa que las diferentes secciones se tienen que combinar posteriormente
para el análisis de datos, y se tienen en cuenta las brechas
Una persona con ropa de sala limpia
se sienta dentro del detector ProtoDUNE
de doble fase.
Crédito de la foto: CERN
Pero con esos beneficios vienen desafíos para el
diseño de doble fase de DUNE.
El cátodo de la caja de campo, el
componente eléctrico que atrae los electrones hacia las piezas de grabación de
señal, debe operarse a un voltaje alucinante de alrededor de 600,000 voltios. Además,
los CRP deben estar perfectamente nivelados en el borde de las fases líquida y
gaseosa del argón y funcionar establemente, sin chispas.
"Somos, en cierto sentido, pioneros", dice Inés Gil Botella, líder del grupo CIEMAT en España que
está trabajando en los elementos que capturarán la luz dentro del detector de
doble fase. "Este es un desafío
tecnológico a estas escalas porque nunca se había hecho antes. Es un
momento muy emocionante, pero también un momento muy crítico. Estamos
avanzando en la tecnología".
La superposición entre las
tecnologías de fase dual para la materia oscura y los experimentos de neutrinos
continuará en el futuro previsible. La Colaboración Global Argon Dark
Matter ya está estudiando el diseño del criostato ProtoDUNE como una carcasa
potencial para su experimento de 20 toneladas, y los colaboradores de ProtoDUNE
están buscando cómo el detector de prototipo de doble fase podría usarse para
buscar un tipo particular de materia oscura.
"Cuanto más lo pienso, más me enamoro de esta
tecnología", dice Yu. "Es bonito. Es fascinante. Es una obra de arte. Es
elegante Y es solo el comienzo. Hay mucho más trabajo por hacer
".
FUENTE. Symmetry - Lauren Byron - 07. agosto.2018
Traducción libre de
Soca