Un nuevo proyecto del Departamento de Energía de EE. UU. Para desarrollar el primer detector capaz de monitorear de forma remota los reactores nucleares también ayudará a los físicos a probar la próxima generación de observatorios de neutrinos.

Las reacciones nucleares producen antineutrinos reveladores, la contraparte de antimateria de los neutrinos. Los nuevos detectores estarán diseñados para medir la energía de dichos antineutrinos y la dirección de donde provienen, permitiendo el seguimiento de los reactores desde una distancia de 25 kilómetros para verificar los acuerdos de no proliferación. Este proyecto sentará las bases para detectores más grandes capaces de monitorear las operaciones del reactor desde una distancia de varios cientos de kilómetros. ayudar a las naciones a rastrear o restringir la producción de materiales fisibles que pueden usarse en armas nucleares.

Pero los físicos también están interesados ​​en detectar neutrinos y antineutrinos para descubrir las leyes básicas del universo, en particular para saber por qué el universo actual está compuesto principalmente de materia normal con muy poca antimateria, cuando ambos deberían haberse hecho en cantidades iguales durante el Big Bang.

"Estas observaciones de neutrinos tienen implicaciones de muy amplio alcance; podrían ayudarnos a explicar cómo llegamos a existir, "dijo Gabriel Orebi Gann, profesor asistente de física y científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que es el investigador principal de UC Berkeley para el nuevo detector.

El proyecto inicial se llama Watchman, para WATer CHerenkov Monitor de ANtineutrinos, y se construirá mediante una gran colaboración entre investigadores de Estados Unidos y Reino Unido, dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. UC Berkeley y el Berkeley Lab son miembros de la colaboración, apodado el banco de pruebas de instrumentación avanzada, o AIT, que está financiado por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del DOE.

Sujeto a la aprobación final de las autoridades mineras, Watchman se construirá en el sitio del Laboratorio Subterráneo Boulby, una instalación científica subterránea existente financiada por el gobierno del Reino Unido que opera en una potasa en funcionamiento, mina de polihalita y sal (mina Boulby) ubicada en la costa noreste de Inglaterra. Para su inicio operativo proyectado en 2023, constará de 3, 500 toneladas de líquido, principalmente agua mezclada con el elemento gadolinio, que se ajustará para detectar interacciones de antineutrinos emitidos por un reactor nuclear en el complejo de Hartlepool a 25 kilómetros de distancia.

Estos antineutrinos interactuarán con los protones en el agua objetivo para producir positrones, los socios de antimateria de los electrones, que producen luz en el detector cuando viajan más rápido que la velocidad de la luz en el líquido, el equivalente a un boom sónico, la llamada luz Cherenkov. La intensidad de la luz les dice a los científicos la energía de estos positrones, que debe coincidir con las predicciones.

Neutrinos no muy interactivos

Los neutrinos y antineutrinos se encuentran entre las partículas más esquivas de la naturaleza, pasando por el material, incluyendo toda la Tierra, sin interactuar con ningún otro asunto. Viajan casi a la velocidad de la luz, y los científicos que descubrieron que tienen una masa leve ganaron el Premio Nobel de Física en 2015.

Si bien la primera fase de Watchman utilizará la tecnología de detectores actual, la segunda fase desplegará varias tecnologías avanzadas para mejorar la sensibilidad a los antineutrinos de baja energía. Estos incluyen centelleadores líquidos a base de agua y fotosensores rápidos y concentradores de luz para permitir la discriminación entre destellos de luz separados por unos pocos cientos de picosegundos, 10 veces mejor que lo que logran los tubos fotomultiplicadores actuales.

"Esta demostración sentará las bases para detectores más grandes que serían necesarios para monitorear o descubrir pequeños reactores a distancias de hasta varios cientos de kilómetros, "dijo Adam Bernstein, Investigador principal de AIT y físico del LLNL.

Para Orebi Gann, AIT es una oportunidad para probar detectores nuevos y más sensibles para un futuro observatorio de neutrinos que se ha llamado Theia. después de la diosa Titán de la luz. Se proyecta que Theia sea un 50, Tanque de 000 toneladas de centelleador líquido a base de agua con metales radiactivos añadidos para mejorar las interacciones de neutrinos y fotosensores rápidos. además de otra tecnología de vanguardia.

"Estoy muy emocionado de contribuir al AIT y Watchman porque es un paso realmente importante en el camino hacia Theia, "dijo Orebi Gann, que ha estado involucrado no solo con el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá, donde se detectó por primera vez la masa de neutrinos, pero también su sucesor, SNO +.

¿Es el neutrino su propia antipartícula?

La principal cuestión de la física de los neutrinos en la actualidad es si el neutrino es su propia partícula de antimateria. Es decir, ¿Son el neutrino y el antineutrino lo mismo? Si esto fuera cierto proporcionaría una forma de explicar la asimetría materia-antimateria en el universo:permitiría la existencia de neutrinos nuevos y muy pesados ​​que habrían existido solo después del Big Bang, y podría haberse decaído preferentemente en materia en lugar de antimateria.

"Si no lo vemos, si vemos que los neutrinos no son sus propias antipartículas, que es igualmente enorme, porque eso dice que hay algo más que diferencia la materia de la antimateria además de la carga eléctrica, "Orebi Gann dijo:"que hay alguna otra simetría que no conocemos que diferencia al neutrino del antineutrino".

La prueba clave radica en las observaciones de la desintegración beta doble, la forma más rara de desintegración radiactiva en la que dos neutrones en el núcleo de un átomo se desintegran espontáneamente, cada uno creando un protón, un electrón y un antineutrino. Si los neutrinos y los antineutrinos son la misma partícula, en algunos casos de este raro evento, los dos neutrinos / antineutrinos se aniquilarían entre sí dentro del núcleo y los experimentadores no verían emerger antineutrinos.

Por lo tanto, los físicos están buscando eventos, los llamados desintegraciones beta dobles sin neutrinos, que involucran dos electrones energéticos que transportan toda la energía de la desintegración beta doble, y nada más.

SNO + emplea un objetivo de centelleo líquido que produce aproximadamente 50 veces más luz a medida que los electrones se mueven a través de la que produce el efecto Cherenkov, aumentando así las posibilidades de detectar desintegración beta doble sin neutrinos. El objetivo del banco de pruebas de instrumentación avanzada, en particular la fase 2, es probar una combinación de detección de Cherenkov y centelleo para el detector de neutrinos de próxima generación, Theia.

"Con Theia, queremos combinar los beneficios de un medio objetivo que produce mucha luz, como centelleo, con un medio en el que también podemos ver la luz Cherenkov, la luz direccional, "Dijo Orebi Gann." Juntos, te darán un direccional, detector de umbral bajo que produce una fantástica discriminación de señal a fondo para una amplia gama de física de neutrinos, así como temas interesantes como la desintegración de protones ".

Aunque el enfoque de Watchman es la no proliferación, también sería capaz de detectar explosiones de antineutrinos de supernovas, y quizás neutrinos producidos en la Tierra misma, los llamados geoneutrinos.

"Sereno, y más ampliamente la AIT, ofrecer ejemplos de la poderosa sinergia que se puede obtener cuando las herramientas desarrolladas para la ciencia básica se aplican en contextos de no proliferación, "Dijo Bernstein.