Primer plano de la superficie de uno de los conjuntos del detector de neutrinos, donde miles de cables separados por 3 milímetros detectan las señales creadas por los neutrinos que pasan a través del detector. Crédito:Reidar Hahn
Neutrinos partículas fundamentales fantasmales que son famosas por su dificultad para estudiar, podría proporcionar a los científicos pistas sobre la evolución del universo.
Son tan difíciles de atrapar De hecho, que es posible que haya un cuarto tipo que se ha estado escondiendo justo debajo de nuestras narices durante décadas.
Científicos del Laboratorio Nacional Acelerador Fermi afiliado a UChicago, sitio de la investigación de neutrinos más extensa del mundo, están liderando una colaboración internacional para explorar la posibilidad de una partícula completamente nueva. Aunque se conocen tres tipos de neutrinos, Los científicos están buscando un cuarto posible:el neutrino estéril, cuya existencia ha sido objeto de burlas pero nunca confirmada claramente.
Los principales componentes para el nuevo experimento de neutrinos están llegando de todo el mundo para integrarse en el próximo Detector cercano de línea de base corta. o SBND, en Fermilab.
"El programa de referencia corta tiene como objetivo abordar resultados interesantes de experimentos anteriores que podrían estar insinuando una nueva clase de neutrinos, que abriría una nueva, área inesperada en la física de neutrinos, "dijo David Schmitz, Co-portavoz de SBND y profesor asistente de física en la Universidad de Chicago. "Pero no importa lo que encontremos, los resultados deberían darnos claridad sobre este enigma de larga data ".
En Fermilab, ubicado a unas 45 millas al oeste de Chicago, tres detectores se posan a lo largo de un haz de neutrinos generado por los aceleradores de partículas del Fermilab. De los tres, el nuevo detector se ubicará más cerca de la fuente del haz, a solo 360 pies de distancia. (Los otros dos, MicroBooNE e ICARUS, son 1, 500 pies y 2, 000 pies de la fuente, respectivamente.)
"La razón por la que tiene tres detectores es que desea muestrear el haz de neutrinos a lo largo de la línea de luz a diferentes distancias, "dijo la científica de neutrinos del Fermilab Ornella Palamara, el otro portavoz del proyecto.
A medida que los neutrinos pasan por un detector tras otro, algunos de ellos dejan rastros en los detectores. Los científicos analizarán esta información para buscar evidencia firme del miembro hipotético pero nunca visto de la familia de los neutrinos.
Haciendo una (des) apariencia
Los neutrinos vienen en uno de tres "sabores":electrón, muon y tau. Cambian de un sabor a otro a medida que viajan por el espacio, que se llama oscilación. Se sabe que los neutrinos oscilan dentro y fuera de los tres sabores, pero sólo más pruebas ayudarán a los científicos a determinar si también oscilan en un cuarto tipo:un neutrino estéril.
Si existen estos neutrinos estériles, no interactúan con la materia en absoluto. (Los neutrinos con los que estamos familiarizados interactúan, pero sólo en raras ocasiones.) Los resultados de otros experimentos han insinuado la posibilidad de la existencia del neutrino estéril, pero hasta ahora, nadie lo ha confirmado.
Tres detectores se posan a lo largo de un haz de neutrinos generado por los aceleradores de partículas de Fermilab, cada uno comprobando la corriente en busca de evidencia de un posible cuarto tipo de neutrino. Crédito:Fermilab
SBND, como el primer detector en el haz, registrará el número de neutrinos de electrones y muones que lo atraviesan antes de que se produzca la oscilación. La gran mayoría de ellos, alrededor del 99,5 por ciento, serán neutrinos muónicos. En el momento de su llegada a los detectores lejanos, MicroBooNE e ICARUS, unos pocos de cada mil neutrinos muónicos pueden haberse convertido en neutrinos electrónicos.
Dos posibles resultados podrían indicar la existencia de la nueva partícula.
Una es que los detectores lejanos ven más neutrinos electrónicos de lo esperado. Esto podría ser evidencia de que los neutrinos estériles también están presentes:los neutrinos podrían estar convirtiéndose dentro y fuera de estados de neutrinos estériles de una manera que produzca un exceso de neutrinos electrónicos. La otra es que los detectores lejanos ven menos neutrinos muónicos de los esperados (los neutrinos muónicos detectados en SBND "desaparecen") porque se convierten en neutrinos estériles.
"Tener un solo experimento en el que podamos ver la aparición de neutrinos electrónicos y la desaparición de neutrinos muónicos simultáneamente y asegurarnos de que sus magnitudes sean compatibles entre sí es enormemente poderoso para tratar de descubrir oscilaciones de neutrinos estériles". ", dijo Schmitz." El detector cercano mejora sustancialmente nuestra capacidad para hacerlo ".
Componentes de tres continentes
El primero de los cuatro conjuntos de plano de ánodo, componentes electrónicos de alta sensibilidad, llegó a Fermilab en octubre. Más están en camino.
Los ensamblajes del plano del ánodo, cuatro en total, son parte de un detector de 4 por 4 por 5 metros que estará suspendido dentro de un tanque criogénico lleno de argón líquido a -300 grados Fahrenheit. Cada ensamblaje es un marco enorme cubierto con miles de delicados cables sensoriales, diseñado para rastrear las partículas que salen de los neutrinos que chocan con los átomos de argón en el tanque.
SBND también será un campo de pruebas para algunas de las tecnologías, incluyendo los ensamblajes del plano del ánodo, que se utilizará en el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, conocido como DUNE, un experimento de megaciencia organizado por Fermilab que se encuentra actualmente en construcción en Dakota del Sur.
Instituciones en Europa, América del Sur y Estados Unidos están ayudando a construir los diversos componentes de SBND. En todo, más de 20 instituciones en tres continentes están involucradas en el esfuerzo. Otra docena está colaborando en herramientas de software para analizar datos una vez que el detector está operativo, Dijo Schmitz.
"Ser parte de una colaboración internacional es genial, "Dijo Palamara." Por supuesto, hay retos, pero es fantástico ver a gente de todo el mundo venir a trabajar en el programa. Tener piezas del detector construidas en diferentes lugares y luego ver que todo se junta es emocionante ".
Se espera que el montaje de SBND finalice en otoño de 2019, después de lo cual el detector se instalará en su edificio a lo largo del haz de neutrinos generado por el acelerador. Está previsto que SBND comience a recibir neutrinos a finales de 2020.
