Uno: el experimento profundo de neutrinos subterráneos buscará algo más que neutrinos.
Symmetry Magazine
Crédito de la imagen: Courtesy of Fermilab
Por Lauren Biron, para Symmetry Magazine Abril 14 de 2016
El Deep Underground Neutrino Experiment es un proyecto de superlativos. Utilizará el haz de neutrinos más intenso del mundo y el detector de neutrinos más grande para estudiar las partículas de materia más extrañas y abundantes del universo. Más de 800 científicos de cerca de 30 países están trabajando en el proyecto para descifrar algunas preguntas sin respuesta en física. Es parte de un impulso mundial para descubrir las piezas faltantes que podrían explicar cómo las partículas y fuerzas conocidas crearon el universo en el que vivimos. Aquí hay una animación de dos minutos que muestra cómo funcionará el proyecto:5
Aquí hay algunos hechos más sorprendentes acerca de DUNE que quizás no conozcas:
1. Los ingenieros utilizarán una línea de pesca de una milla de largo para apuntar el haz de neutrinos desde Illinois a Dakota del Sur.
DUNE apuntará un haz de neutrinos a 800 millas (1300 kilómetros) directamente a través de la Tierra desde Fermilab a la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, sin necesidad de un túnel. Aunque el rayo se propaga a medida que viaja, como un rayo de luz de la linterna, es importante apuntar el centro del rayo de la manera más precisa posible a DUNE para que la cantidad máxima de neutrinos pueda crear una señal. Como los neutrinos son eléctricamente neutros, no pueden ser dirigidos por imanes después de que han sido creados. Por lo tanto, todo debe estar correctamente alineado, dentro de una fracción de milímetro, cuando se fabrican los neutrinos, emergiendo de las colisiones de protones con átomos de carbono.
Alinear correctamente el haz de neutrinos significa usar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para relacionar el mapa subterráneo de Sanford Lab con las coordenadas del sistema geográfico de Fermilab, asegurándose de que todo habla el mismo idioma de ubicación. Parte del proceso requiere mapear puntos subterráneos a puntos en la superficie de la Tierra. Para hacer esto, el equipo de alineación dejará caer la que podría ser la línea de plomada más larga del mundo en el pozo de extracción de 4850 pies (1,5 kilómetros). El plan actual es utilizar una línea de pesca muy fuerte -una milla de ella- unida a un peso pesado que está inmerso en un barril de petróleo para amortiguar el movimiento del péndulo. Un rastreador láser registrará la ubicación precisa de la línea.
2. Los equipos mineros moverán suficiente roca para dos edificios del Empire State en un pozo de 14 por 20 pies.
Para crear cavernas que sean lo suficientemente grandes como para albergar los detectores DUNE, los mineros deben explotar y eliminar más de 800,000 toneladas de roca de una milla bajo tierra. Eso es el equivalente de 8 portaaviones de la clase Nimitz, una comparación hecha a menudo por Chris Mossey, director de proyecto de Long-Baseline Neutrino Facility (el nombre de la instalación que apoyará a DUNE). Mossey sabe una cosa o dos sobre los portaaviones: resulta ser un comandante retirado del Consejo de Ingeniería de Instalaciones Navales de la Armada de los EE. UU. Y supervisó los servicios de ingeniería, construcción y mantenimiento de las instalaciones de la Marina de los EE. UU. Pero no todo el mundo está familiarizado con los portaaviones, por lo que puede impresionar a sus amigos diciendo que las tripulaciones moverán el peso equivalente a 2.2 Empire State Buildings, 80 Eiffel Towers, 4700 ballenas azules o 18 mil millones (ish) Twinkies.
3. El interior de los detectores DUNE tendrá aproximadamente la misma temperatura promedio que la atmósfera de Saturno.
El argón, un elemento que constituye casi el uno por ciento del aire que respiramos, será el material de elección para llenar los detectores DUNE, aunque en forma líquida. Mientras trillones de neutrinos pasan a través del argón transparente, un puñado interactúa con un núcleo de argón y produce otras partículas. Esos, a su vez, crearán luz y eliminarán los electrones. Ambos pueden grabarse y convertirse en datos que muestran exactamente cuándo y cómo interactuó un neutrino. Para mantener el argón líquido, el sistema criogénico deberá mantener una temperatura de alrededor de menos 300 grados Fahrenheit, o menos 184 grados Celsius. Eso es un poco más frío que la temperatura promedio de las nubes heladas de amoníaco en la capa superior de la atmósfera de Saturno.
4. El diseño de los buques detectores DUNE está inspirado en enormes buques de transporte de gas.
El conjunto de cuatro detectores de DUNE será el instrumento criogénico más grande jamás instalado en la profundidad. ¿Sabes quién más necesita almacenar y enfriar grandes volúmenes de líquido? La industria del gas, que licua el gas natural para transportarlo por todo el mundo utilizando enormes barcos con potentes refrigeradores. Las enormes embarcaciones aisladas de Dune ofrecerán un sistema de membrana similar al utilizado por los buques de transporte de gas natural líquido. Un marco de acero inoxidable se encuentra dentro de una capa aislante, intercalado entre las hojas de aluminio. Las capas múltiples proporcionan la fuerza para mantener el argón líquido justo donde debería estar, interactuando con los neutrinos.
5. DUNE buscará algo más que neutrinos.
Entonces, ¿por qué nombraron el experimento después del neutrino? Bueno, la mayor parte del experimento está diseñado para estudiar neutrinos: cómo cambian a medida que se mueven por el espacio, cómo llegan de estrellas en explosión, cómo los neutrinos se diferencian de sus compañeros antimateria y cómo interactúan con otras partículas de materia. Al mismo tiempo, el gran tamaño de los detectores DUNE y su ubicación blindada a una milla bajo tierra también los convierten en la herramienta perfecta para continuar la búsqueda de signos de descomposición del protón. Algunas teorías predicen que los protones (uno de los componentes básicos que componen los átomos en su cuerpo) tienen una vida muy larga pero finita. Eventualmente se descompondrán en otras partículas, creando una señal que DUNE espera descubrir. Afortunadamente para nuestros átomos, la vida estimada del protón es mucho más larga que el tiempo en que nuestro universo ha existido hasta ahora. Debido a que se espera que la descomposición del protón sea un evento tan raro, los científicos necesitan monitorear muchos protones para atrapar uno en el acto, y setenta mil toneladas de átomos de argón significa alrededor de 10^34 protones (que es un 1 con 34 ceros después), que no es demasiado viejo.
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