El mayor experimento de neutrinos del mundo se acerca un paso más
La puesta en marcha de un detector de 25 toneladas en CERN avanza la tecnología para el Deep Neutrino Experiment.
Por Lauren Biron, para Supersymetry Junio 23 de 2017
En un laboratorio del CERN se encuentra una caja muy importante. Cubre alrededor de tres plazas de aparcamiento y es más que una historia alta. Sentarse dentro es un dispositivo de metal que rastrea las partículas cósmicas energéticas.
Se trata de un detector de prototipos, un escalón en el camino hacia el futuro Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). El 21 de junio, registró sus primeras huellas de partículas.
Así comienza la prueba más grande de un método extremadamente preciso para medir las partículas evasivas llamadas neutrinos, que puede sostener la llave de porqué nuestro universo mira la manera que lo hace y cómo vino en ser.
Un detector de dos fases
El detector de prototipo se llama WA105 3x1x1 (sus dimensiones en metros) y contiene cinco toneladas activas-3000 litros de argón líquido. El argón está bien adaptado para interactuar con los neutrinos y luego transmitir la luz y los electrones posteriores para su recolección. Los detectores de neutrinos de argón líquido anteriores, como ICARUS y MicroBooNE, detectaron señales de neutrinos usando cables en el argón líquido. Pero fundamentalmente, este nuevo detector de prueba también contiene una pequeña cantidad de argón gaseoso, ganándole el estatus especial de un detector de dos fases.
A medida que las partículas pasan a través del detector, interactúan con los átomos de argón en su interior. Los electrones se quitan de los átomos y se desplazan a través del líquido hacia una "rejilla de extracción", que los echa en el gas. Allí, los multiplicadores de electrones grandes crean una cascada de electrones, llevando a una señal más fuerte que los científicos pueden utilizar para reconstruir la pista de partículas en 3D. Pruebas anteriores de este método se llevaron a cabo en pequeños detectores utilizando aproximadamente 250 litros activos de argón líquido.
"Esta es la primera vez que alguien demostrará esta tecnología a esta escala", dice Sebastien Murphy, que dirigió la construcción del detector en el CERN.
El detector de prueba 3x1x1 representa un gran salto de tamaño en comparación con los experimentos anteriores, pero es pequeño comparado con el objetivo final de DUNE, que contendrá 40.000 toneladas activas de argón líquido. Los científicos dicen que tomarán lo que aprenden y lo aplicarán (y algunos de los componentes electrónicos actuales) a los prototipos de próxima generación de una o dos fases, llamados ProtoDUNE.
La tecnología utilizada para ambos tipos de detectores es una cámara de proyección de tiempo, o TPC. DUNE apilará muchos módulos grandes juntos como bloques LEGO para crear enormes detectores DUNE, que atrapará neutrinos a una milla de metro en Sanford Underground Research Facility en Dakota del Sur. El desarrollo general de TPCs de argón líquido ha estado ocurriendo por cerca de 40 años, y la investigación y el desarrollo de la fase dual de más de una década. La idea para este detector de prueba de doble fase en particular vino en 2013.
"El objetivo principal [con WA105 3x1x1] es demostrar que podemos amplificar las cargas en los detectores de argón líquido a la misma escala que en los TPCs gaseosos estándar", dice Murphy.
Al estudiar neutrinos y antineutrinos que viajan 800 millas a través de la Tierra desde el Laboratorio Nacional de Aceleración Fermi del Departamento de Energía de los Estados Unidos hasta los detectores DUNE, los científicos buscan descubrir diferencias en el comportamiento de la materia y la antimateria. Esto podría indicar el camino hacia la explicación de la abundancia de materia sobre la antimateria en el universo. Los detectores supersensibles también podrán capturar neutrinos de estrellas en explosión (supernovas), revelando la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. Además, permiten a los científicos a la caza de un fenómeno raro llamado decaimiento protónico.
"Todo el R & D que hicimos durante tantos años y ahora queremos hacer con ProtoDUNE es la tarea que tenemos que hacer", dice André Rubbia, portavoz del experimento WA105 3x1x1 y ex co-portavoz de DUNE. "En última instancia, estamos muy emocionados por el potencial de descubrimiento de DUNE."
Una de las primeras pistas en el detector de prototipo, causada por un rayo cósmico. Crédito de la imagen: André Rubbia
Pruebas, pruebas, 3-1-1, compruebe, compruebe
Asegurarse de que un detector de doble fase y su equipo electrónico funcionan a temperaturas criogénicas de menos 184 grados centígrados a gran escala es el principal deber del detector de prototipos, pero ciertamente no es el único. La membrana que rodea el argón líquido y evita que se derrame también se someterá a una prueba rigurosa. Las cámaras criogénicas especiales buscan cualquier punto caliente donde el argón líquido está predispuesto a hervir y puede causar averías de voltaje cerca de la electrónica.
Después de muchos meses de trabajo duro, el equipo criogénico y los que trabajan en la plataforma de neutrinos del CERN ya han corregido con éxito los problemas con el criostato, resultando en un nivel estable de argón líquido increíblemente puro. El argón líquido tiene que ser prístino y su nivel justo debajo de los multiplicadores de electrones grandes para que los electrones del líquido lo hagan en el argón gaseoso.
"Añadir componentes a un detector nunca es trivial, porque agrega impurezas como moléculas de agua e incluso polvo", dice Laura Manenti, investigadora asociada del University College de Londres. "Es por eso que el argón líquido en el 311-y pronto ProtoDUNEs- tiene que ser recirculado y purificado constantemente."
Mientras que en última instancia, los detectores DUNE de escala completa se sentarán en el haz de neutrinos más intenso del mundo, los científicos están probando los componentes WA105 3x1x1 usando muones de rayos cósmicos, partículas de alta energía que llegan del espacio. Estos esfuerzos son apoyados por muchos grupos, incluyendo la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.
El plan es ahora ejecutar el experimento, recopilar el mayor número posible de datos y luego pasar a un territorio aún más grande.
"La perspectiva de iniciar DUNE es muy emocionante, y tenemos que entregar el mejor detector posible", dice Rubbia. "Un paso a la vez, estamos subiendo una montaña grande. Todavía no estamos en la cima del Everest, pero estamos llegando al primer chalet. "
La puesta en marcha de un detector de 25 toneladas en CERN avanza la tecnología para el Deep Neutrino Experiment.
Crédito de la imagen: Photo by Maximilien Brice, CERN
Por Lauren Biron, para Supersymetry Junio 23 de 2017
En un laboratorio del CERN se encuentra una caja muy importante. Cubre alrededor de tres plazas de aparcamiento y es más que una historia alta. Sentarse dentro es un dispositivo de metal que rastrea las partículas cósmicas energéticas.
Se trata de un detector de prototipos, un escalón en el camino hacia el futuro Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). El 21 de junio, registró sus primeras huellas de partículas.
Así comienza la prueba más grande de un método extremadamente preciso para medir las partículas evasivas llamadas neutrinos, que puede sostener la llave de porqué nuestro universo mira la manera que lo hace y cómo vino en ser.
Un detector de dos fases
El detector de prototipo se llama WA105 3x1x1 (sus dimensiones en metros) y contiene cinco toneladas activas-3000 litros de argón líquido. El argón está bien adaptado para interactuar con los neutrinos y luego transmitir la luz y los electrones posteriores para su recolección. Los detectores de neutrinos de argón líquido anteriores, como ICARUS y MicroBooNE, detectaron señales de neutrinos usando cables en el argón líquido. Pero fundamentalmente, este nuevo detector de prueba también contiene una pequeña cantidad de argón gaseoso, ganándole el estatus especial de un detector de dos fases.
A medida que las partículas pasan a través del detector, interactúan con los átomos de argón en su interior. Los electrones se quitan de los átomos y se desplazan a través del líquido hacia una "rejilla de extracción", que los echa en el gas. Allí, los multiplicadores de electrones grandes crean una cascada de electrones, llevando a una señal más fuerte que los científicos pueden utilizar para reconstruir la pista de partículas en 3D. Pruebas anteriores de este método se llevaron a cabo en pequeños detectores utilizando aproximadamente 250 litros activos de argón líquido.
"Esta es la primera vez que alguien demostrará esta tecnología a esta escala", dice Sebastien Murphy, que dirigió la construcción del detector en el CERN.
El detector de prueba 3x1x1 representa un gran salto de tamaño en comparación con los experimentos anteriores, pero es pequeño comparado con el objetivo final de DUNE, que contendrá 40.000 toneladas activas de argón líquido. Los científicos dicen que tomarán lo que aprenden y lo aplicarán (y algunos de los componentes electrónicos actuales) a los prototipos de próxima generación de una o dos fases, llamados ProtoDUNE.
La tecnología utilizada para ambos tipos de detectores es una cámara de proyección de tiempo, o TPC. DUNE apilará muchos módulos grandes juntos como bloques LEGO para crear enormes detectores DUNE, que atrapará neutrinos a una milla de metro en Sanford Underground Research Facility en Dakota del Sur. El desarrollo general de TPCs de argón líquido ha estado ocurriendo por cerca de 40 años, y la investigación y el desarrollo de la fase dual de más de una década. La idea para este detector de prueba de doble fase en particular vino en 2013.
"El objetivo principal [con WA105 3x1x1] es demostrar que podemos amplificar las cargas en los detectores de argón líquido a la misma escala que en los TPCs gaseosos estándar", dice Murphy.
Al estudiar neutrinos y antineutrinos que viajan 800 millas a través de la Tierra desde el Laboratorio Nacional de Aceleración Fermi del Departamento de Energía de los Estados Unidos hasta los detectores DUNE, los científicos buscan descubrir diferencias en el comportamiento de la materia y la antimateria. Esto podría indicar el camino hacia la explicación de la abundancia de materia sobre la antimateria en el universo. Los detectores supersensibles también podrán capturar neutrinos de estrellas en explosión (supernovas), revelando la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. Además, permiten a los científicos a la caza de un fenómeno raro llamado decaimiento protónico.
"Todo el R & D que hicimos durante tantos años y ahora queremos hacer con ProtoDUNE es la tarea que tenemos que hacer", dice André Rubbia, portavoz del experimento WA105 3x1x1 y ex co-portavoz de DUNE. "En última instancia, estamos muy emocionados por el potencial de descubrimiento de DUNE."
Una de las primeras pistas en el detector de prototipo, causada por un rayo cósmico. Crédito de la imagen: André Rubbia
Pruebas, pruebas, 3-1-1, compruebe, compruebe
Asegurarse de que un detector de doble fase y su equipo electrónico funcionan a temperaturas criogénicas de menos 184 grados centígrados a gran escala es el principal deber del detector de prototipos, pero ciertamente no es el único. La membrana que rodea el argón líquido y evita que se derrame también se someterá a una prueba rigurosa. Las cámaras criogénicas especiales buscan cualquier punto caliente donde el argón líquido está predispuesto a hervir y puede causar averías de voltaje cerca de la electrónica.
Después de muchos meses de trabajo duro, el equipo criogénico y los que trabajan en la plataforma de neutrinos del CERN ya han corregido con éxito los problemas con el criostato, resultando en un nivel estable de argón líquido increíblemente puro. El argón líquido tiene que ser prístino y su nivel justo debajo de los multiplicadores de electrones grandes para que los electrones del líquido lo hagan en el argón gaseoso.
"Añadir componentes a un detector nunca es trivial, porque agrega impurezas como moléculas de agua e incluso polvo", dice Laura Manenti, investigadora asociada del University College de Londres. "Es por eso que el argón líquido en el 311-y pronto ProtoDUNEs- tiene que ser recirculado y purificado constantemente."
Mientras que en última instancia, los detectores DUNE de escala completa se sentarán en el haz de neutrinos más intenso del mundo, los científicos están probando los componentes WA105 3x1x1 usando muones de rayos cósmicos, partículas de alta energía que llegan del espacio. Estos esfuerzos son apoyados por muchos grupos, incluyendo la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.
El plan es ahora ejecutar el experimento, recopilar el mayor número posible de datos y luego pasar a un territorio aún más grande.
"La perspectiva de iniciar DUNE es muy emocionante, y tenemos que entregar el mejor detector posible", dice Rubbia. "Un paso a la vez, estamos subiendo una montaña grande. Todavía no estamos en la cima del Everest, pero estamos llegando al primer chalet. "