El
detector de neutrinos de argón líquido más grande del mundo acaba de grabar sus
primeras pistas de partículas, lo que indica el comienzo de un nuevo capítulo
en la historia del experimento internacional de neutrinos
subterráneos profundos
La
misión científica de DUNE (Deep UNderground NEutrino)está dedicada a desbloquear los misterios de
los neutrinos, las partículas de materia más abundantes en el
universo.
Los científicos de la colaboración DUNE piensan que los
neutrinos pueden ayudar a responder una de las preguntas más apremiantes en
física: por qué vivimos en un universo dominado por la materia.
En otras
palabras, por qué estamos aquí en absoluto.
El
enorme detector ProtoDUNE - del
tamaño de una casa de tres pisos y la forma de un cubo gigantesco - fue
construido en el CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, como el
primero de dos prototipos de lo que será un detector mucho más grande para el
proyecto DUNE, organizado por el Fermi National Accelerator Laboratory del
Departamento de Energía de EE. UU. en los Estados Unidos.
Cuando los
primeros módulos detectores de DUNE registren datos en 2026, cada uno de ellos
será 20 veces más grande que estos prototipos. Habrá cuatro módulos en
total.
Es la
primera vez que el CERN está invirtiendo en el desarrollo de infraestructura y
detectores para un proyecto de física de partículas en los Estados Unidos.
El
primer detector ProtoDUNE tomó dos años para construirse y ocho semanas para
llenar con 800 toneladas de argón líquido, que debe mantenerse a temperaturas
inferiores a menos 300 grados Fahrenheit.
El detector registra rastros de
partículas en ese argón, tanto de los rayos cósmicos como de un haz creado en
el complejo acelerador del CERN.
Ahora que se han visto las primeras
pistas, los científicos operarán el detector durante los próximos meses para
probar la tecnología en profundidad.
"Hace
solo dos años completamos el nuevo edificio en el CERN para albergar dos
prototipos de detectores a gran escala que forman los bloques de construcción
para DUNE", dice Marzio Nessi, jefe de la plataforma Neutrino en el
CERN. "Ahora tenemos el primer detector que toma datos hermosos, y el
segundo detector, que utiliza un enfoque diferente a la tecnología de argón
líquido, estará en línea en unos meses".
La
tecnología del primer detector ProtoDUNE será la misma que se utilizará para el
primero de los módulos de detector DUNE en los Estados Unidos, que se
construirá a una milla bajo tierra en la Instalación de Investigación
Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Más de 1000 científicos e
ingenieros de 32 países que abarcan cinco continentes: África, Asia, Europa,
América del Norte y América del Sur, están trabajando en el desarrollo, diseño
y construcción de los detectores DUNE. La ceremonia de inauguración de las
cavernas que albergarán el experimento se llevó a cabo en julio de 2017.
"Ver
las primeras pistas de partículas es un gran éxito para toda la colaboración
DUNE", dice el co-portavoz de DUNE Stefan Soldner-Rembold de la
Universidad de Manchester, Reino Unido. "DUNE es la mayor
colaboración de científicos que trabajan en la investigación de neutrinos en el
mundo, con la intención de crear un experimento de vanguardia que podría
cambiar la forma en que vemos el universo".
Cuando
los neutrinos entran en los detectores y se estrellan contra los núcleos de
argón, producen partículas cargadas. Esas partículas dejan huellas de
ionización en el líquido, que pueden verse mediante sofisticados sistemas de
seguimiento capaces de crear imágenes tridimensionales de procesos subatómicos
que de otro modo serían invisibles. ( Vea una animación de cómo funcionan
los detectores DUNE y ProtoDUNE, junto con otros vídeos sobre
DUNE).
"El
CERN está orgulloso del éxito de la plataforma Neutrino y entusiasmado por ser
socio de DUNE, junto con instituciones y universidades de sus estados miembros
y más allá", dice Fabiola Gianotti, directora general de CERN. "Estos
primeros resultados de ProtoDUNE son un buen ejemplo de lo que se puede lograr
cuando los laboratorios de todo el mundo colaboran. La investigación con DUNE
es complementaria a la investigación llevada a cabo por el LHC y otros
experimentos en el CERN, juntos tienen un gran potencial para responder algunas
de las preguntas pendientes en la física de partículas."
DUNE
no solo estudiará los neutrinos, sino también sus homólogos
antimateria. Los científicos buscarán diferencias en el comportamiento
entre neutrinos y antineutrinos, lo que podría darnos pistas de por qué el
universo visible está dominado por la materia. DUNE también observará los
neutrinos producidos cuando una estrella explota, lo que podría revelar la
formación de estrellas de neutrones y agujeros negros, e investigará si los
protones viven para siempre o eventualmente se descomponen. Observar la descomposición
del protón nos acercaría al cumplimiento del sueño de Einstein de una gran
teoría unificada.
"DUNE
es el futuro de la investigación de neutrinos", dice el director de
Fermilab, Nigel Lockyer. "Fermilab se complace en organizar un
experimento internacional con un potencial tan vasto para nuevos
descubrimientos y para continuar nuestra larga asociación con el CERN, tanto en
el proyecto DUNE como en el Large Hadron Collider".
Nota
del editor: una versión de este artículo fue publicada originalmente por Fermilab .
FUENTE: Compilado de
SYMMETRY / SLAC - 18. SEPTIEMBRE.2018
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.
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.
Los
dos detectores ProtoDUNE están alojados en la plataforma de neutrinos del CERN.
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
".
El primer uso de una cámara de burbujas
de hidrógeno para detectar neutrinos, el 13 de noviembre de 1970, Un neutrino
bateó un protón en un átomo de hidrógeno. La colisión se produjo en el punto de
tres pistas que emanan a la derecha de la fotografía. Crédito: Wikipedia
El japonés Takaaki
Kajita y el canadiense Arthur
McDonald han recibido hoy (06. octubre.2015) el Premio
Nobel de Física por el descubrimiento de la oscilación de los neutrinos, lo
que demuestra que estas partículas tienen masa.
El hallazgo de ambos físicos “ha cambiado nuestra comprensión del funcionamiento más profundo de la
materia y puede ser crucial para nuestra visión del universo”,ha dicho la Academia de Ciencias Sueca, que cada año otorga
este galardón.
Kajita trabaja en el experimento Super Kamiokande y
está afiliado a la Universidad de Tokio. McDonald está adscrito a la Queen’s
University de Canadá.
Los neutrinos han sido las partículas más
misteriosas del universo. Cada segundo, billones de ellos atraviesan nuestro
cuerpo, nuestras casas y el resto del planeta sin dejar rastro alguno, lo que
les ha valido el apodo de fantasmas. Parte de ellos se crean en la atmósfera
terrestre cuando incide en ella la radiación cósmica y otros son producidos en
reacciones nucleares dentro del Sol. Los únicos lugares donde son visibles es
en descomunales detectores instalados debajo de montañas, en viejas minas y
otros lugares naturalmente protegidos contra cualquier tipo de interferencia
por parte de otras partículas más pesadas. Los neutrinos son tan rápidos y
ligeros que se pensaba que no tenían masa. Hasta los descubrimientos de
McDonald y Kajita, se calculaba que gran parte de ellos desaparecen sin
explicación posible.
En 1998, Kajita observó la oscilación de los
neutrinos gracias al Super Kamiokande, una descomunal piscina con 50.000 toneladas de agua
construida a un kilómetro bajo tierra en Japón. En algunas raras
ocasiones, cuando un neutrino atraviesa el agua, interactúa con los electrones
de este líquido lanzando un destello de luz que permite estudiar su trayectoria
y propiedades. Kajita se centró en los neutrinos que llegan desde la atmósfera
y observó que estos oscilan entre dos estados o tipos diferentes. Por su parte,
McDonald trabajó a más de dos kilómetros bajo tierra, en una vieja mina de
níquel de Ontario (Canadá) reconvertida en el Observatorio de Neutrinos de
Sudbury. Gracias a esta instalación, en 2001 comprobó que los neutrinos que se
producen en el Sol no estaban desapareciendo en su camino hacia la Tierra, sino
que simplemente habían cambiado de tipo, oscilando entre uno y otro igual que
los neutrinos atmosféricos detectados en Japón.
Esta metamorfosis se da entre los tres tipos de
neutrinos conocidos y explica por qué dos tercios de todas estas partículas,
que deberían estar llegando a la Tierra según los cálculos teóricos, no estaban
siendo detectadas. Los descubrimientos de ambos físicos explican que estas
partículas no desaparecen, sino que oscilan entre tres estados diferentes a los
que los físicos llaman sabores y cuya dinámica está regida por la mecánica
cuántica.
Los descubrimientos de Kajita y McDonald implican
que, a pesar de su fantasmagórica presencia, los neutrinos tienen masa, al
contrario de lo que se había pensado durante décadas. Aún se ignora cuál es su
masa exacta, especialmente porque esta cambia cuando se produce la
metamorfosis. Más aún, el modelo estándar, que describe a la perfección el
mundo subatómico de la física de partículas y que incluye el bosón de Higgs, se
queda corto para explicar al neutrino. Según los cálculos de este modelo, no
debería tener masa. Por eso el trabajo de McDonald y Kajita aporta uno de las
mayores indicios de que hay una nueva física en el universo que está por
descubrir.
Los físicos instalaron el detector Borexino,los
tubos fotomultiplicadores permiten detectar los destellos de luz creados cuando los antineutrinos chocan con el detector. Crédito: Cortesía INFN
La primera confirmación del avistamientos de antineutrinos producidos
por la desintegración radiactiva en el manto de la Tierra fue realizada por
investigadores del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionale
del Gran Sasso, Experiment Borexino detector ubicado en Italia.
A pesar que este tipo de "geoneutrinos"
han sido detectados anteriormente, es la primera vez que los físicos pueden
decir con confianza que la mitad de los antineutrinos que midieron vinieron desde
el manto de la Tierra, y que el resto
proviene de la corteza.
El equipo del Borexino también ha sido capaz de hacer un nuevo cálculo
de la cantidad de calor que se produce en la Tierra por la desintegración
radiactiva, encontrando que es mayor de lo que se pensaba. Los
investigadores dicen que en el futuro, el experimento debe ser capaz también de
medir las cantidades de elementos radiactivos en el manto.
De acuerdo con el modelo Silicato a Granel de la Tierra (BSE – Bulk Silicate
Earth), la mayor parte del uranio radiactivo, torio y potasio se encuentra en los pliegues interiores de la corteza y el
manto de nuestro planeta, el cual representa alrededor del 84% del volumen
total de la Tierra; el manto es la capa rocosa que está cual gran emparedado
entre la corteza y el núcleo de la Tierra. El calor fluye desde del
interior de la Tierra hacia el espacio a una velocidad de alrededor de 47 TW,
pero uno de los grandes misterios de la geofísica es la cantidad de calor que
queda desde cuando se formó la Tierra, y cuánto proviene de las cadenas de
desintegración radiactiva del uranio-238, el torio-232 y el potasio-40.
Mirando a gran profundidad
Una forma de resolver la cuestión es medir los antineutrinos producidos
por estas cadenas de desintegración. Estas pequeñas partículas viajan
fácilmente a través de la Tierra, lo que significa que los detectores situados
cerca de la superficie podrían dar a los geofísicos una forma de medir la
abundancia de elementos radiactivos profundo que existen dentro de la Tierra - y a un metro de
profundidad, por lo tanto, produce calor.
Ya en 2005 los físicos que trabajan en el detector KamLAND
de neutrinos en Japón anunciaron que habían detectado 22
geoneutrinos, mientras que el Borexino, que ha estado funcionando desde 2007, informó en 2010 de que había visto a 10
de estas partículas. Ya que ambos detectores han visto más geoneutrinos y, en
conjunto, sus mediciones sugieren que alrededor de la mitad del calor que sale
de la Tierra es generado por la desintegración radiactiva, aunque existe gran
incertidumbre en este valor.
Aventura italiana
El detector Borexino se compone de 300 toneladas de un líquido orgánico,
que se encuentra muy por debajo de una montaña en el Laboratorio Nacional del Gran
Sasso en Italia para proteger el experimento de los rayos cósmicos no deseados
que de otra manera ahogan la señal de neutrinos. Cada vez que los
electrones en el líquido son golpeados por un antineutrino, retroceden y crean
un destello de luz. En el último trabajo, los físicos del Borexino han
analizado un total de 77 eventos del detector, con el cálculo del equipo - a
partir de datos de la Agencia Internacional de Energía Atómica - que
aproximadamente 53 de estos antineutrinos fueron producidos por los reactores
nucleares.
Los 24 geoneutrinos restantes podrían haber venido de cualquiera de la
corteza de la Tierra o de su núcleo. Sin embargo, los científicos tienen
una idea bastante clara de la cantidad de uranio y torio se encuentran en la
corteza, lo que permite a los físicos del Borexino para decir que la mitad de
estos geoneutrinos se produjeron en el manto y la otra mitad en la corteza.
Por otra parte, los físicos pueden decir con un 98% de confianza de que
han detectado neutrinos en el manto, un mayor nivel de confianza que se logra
en estudios previos.
El equipo también calcula el calor generado por la desintegración
radiactiva en la tierra y nos pareció que estaba en el rango de 23 a 36 TW. Esto
es más grande que las estimaciones basadas en suposiciones acerca de la
cantidad de elementos radiactivos en la Tierra, que están en el rango de 12 a
30 TW, y también de más de una estimación basada en mediciones antineutrinosanteriores.
El equipo Borexino también trató de averiguar qué proporción de los
geoneutrinos que vino de la cadena de desintegración del uranio y cual era la proporción
de la cadena de torio. El decaimientos del potasio no fueron considerados
debido a que no se espera hacer una contribución significativa a los números
detectados. Los datos sugieren que la relación actualmente aceptada de
torio y de uranio en la Tierra es correcta, pero que la incertidumbre en los
valores del Borexino es muy grande. Más datos: Los físicos del Borexino
dicen, deberían dejarlos hacer mediciones más precisas para lograr mejores datos de las contribuciones de uranio y torio
en el calentamiento de la Tierra.
Este trabajo y estudio se encuentra
en un completo informe en Physical Review.
Fuente: Compilado de The PhysicsWorld – 14.agosto.2015 -
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."
El experimento OPERA anunció hoy día el
descubrimiento relacionado con el comportamiento de los neutrinos. Las partículas de luz rara vez interactúan con
los neutrinos, los cuales vienen en tres tipos llamados “sabores” (flavors):
Electrón, Muón y Tau.
Cuando un neutrino electrón choca con un
detector, produce un electrón, un neutrino muón produce un muón y un neutrino
tau produce un tau.
En 1998, el experimento Super-Kamiokande
efectuado en Japón, encontró la primera evidencia sólida de que los neutrinos
no se pegan con cualquier sabor, oscilan o cambian de ida y vuelta entre los
sabores. El experimento Super-Kamiokande procedio a estudiar los neutrinos muón
procedentes de los rayos cosmicos y se encontró que no estaban alcanzando todos
los que esperaban; algunos de los neutrinos muón parecían desaparecer. Los
investigadores piensan que estaban cambiando a un sabor que el experimento no
podía ver. Así que los científicos cinstruyeron un experimento que podría ver;
fue el detector OPERA llevado a cabo en el Instituto Nacional Italiano de
Física Nuclear en el Gran Sasso, siendo el primero que podría coger a un
neutrino tau oscilando.
Entre los años 2006 y 2012, el detector
OPERA, un detector gigante de 4.000 toneladas, cuyo volumen es de 2.000 m3
y nueve millones de película fotografica, estudió un haz de neutrinos muónicos
producidos a 730 kilómetros
de distancia en el CERN, ubicado en la frontera de Suiza y Francia. Viajando a
casi la velocidad de la luz, los neutrinos tenían el tiempo suficiente para
cambiar de sabores entre su punto de origen y el detector.
Los neutrinos pueden atravesar el planeta
sin chocar con otra partícula, pero si se envía una suficiente cantidad de
ellos a través de un gran y sensible detector, se pueden tomar un pequeño números
de ellos por día.
En el año 2010, el experimento OPERA
anunció que había encontrado su primer candidato de neutrino tau, procedente
del haz de neutrinos muónicos; en los años 2012,2013 y 2014 anunció su segundo,
tercero y cuarto. Ahora el experimento OPERA anunció su quinto neutrino taucomo un resultado a nivel de “descubrimiento”.
La probabilidad de que en sus datos se
encuentren los neutrinos tau cinco por casualidad, es menos de uno en un millón.
El neutrino tau es una partícula elemental que pertenece al grupo de los leptones. Su símbolo es , tiene un spin 1/2 y una masa un millón de veces menor que la masa del electrón, pero no nula.
El portavoz del INFN en Nápoles, Giovanni
De Lellis, dice en un comunicado de prensa emitido hoy, que: “La detección de un quinto neutrino tau es
extremadamente importante; podemos definitivamente reportar de la aparición de
neutrinos tau en un haz de neutrinos muónicos”.
Los científicos continuarán analizando
los datos en busca de neutrinos tau adicionales.
Fuente: Symmetry / Interaccion.Org – INFN
– 16.junio.2015 / Wikipedia
