Un experimento en el Fermilab del Departamento de Energía ha logrado un avance significativo en la detección de neutrinos que se esconden a energías más bajas.

El experimento ArgoNeuT demostró recientemente por primera vez que una clase particular de detector de partículas, los que usan argón líquido, pueden identificar señales en un rango de energía que los físicos de partículas denominan "rango MeV". Es el primer paso sustantivo para confirmar que los investigadores podrán detectar una amplia gama de energía de neutrinos, incluso aquellos en los más difíciles de atrapar, energías más bajas, con el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, o DUNE, alojado por Fermilab. Está previsto que DUNE comience a funcionar a mediados de la década de 2020.

Los neutrinos son livianos, partículas elusivas y sutiles que viajan cerca de la velocidad de la luz y contienen pistas sobre la evolución del universo. Se producen en desintegraciones radiactivas y otras reacciones nucleares, y cuanto menor sea su energía, más difíciles de detectar.

En general, cuando un neutrino golpea un núcleo de argón, la interacción genera otras partículas que luego dejan rastros detectables en el mar de argón. Estas partículas varían en energía.

Los científicos son bastante expertos en extraer partículas de mayor energía, aquellas con más de 100 MeV (o megaelectronvoltios), a partir de los datos de su detector de argón líquido. Estas partículas atraviesan el argón, dejando atrás lo que parecen largos rastros en las presentaciones visuales de los datos.

Tamizando partículas en la parte inferior, El rango de MeV de un solo dígito es más difícil, como tratar de extraer las agujas mejor escondidas en el proverbial pajar. Esto se debe a que las partículas de menor energía no dejan tanto rastro en el argón líquido. No cierran tanto como blip.

En efecto, después de simular interacciones de neutrinos con argón líquido, Los científicos de ArgoNeuT predijeron que se producirían partículas de energía MeV y serían visibles como pequeños puntos en los datos visuales. Donde las partículas de mayor energía se muestran como rayas en el argón, La firma reveladora de las partículas de MeV serían pequeños puntos.

Y este fue el desafío al que se enfrentaron los investigadores de ArgoNeuT:¿Cómo se localizan las pequeñas señales y puntos en los datos? ¿Y cómo se comprueba que significan interacciones reales entre partículas y que no son simplemente ruido? Las técnicas típicas, los métodos para identificar pistas largas en argón líquido, no se aplicaría aquí. Los investigadores tendrían que encontrar algo diferente.

Y así lo hicieron:ArgoNeuT desarrolló un método para identificar y revelar señales tipo blip de partículas MeV. Comenzaron comparando dos categorías diferentes:señales acústicas acompañadas de eventos de neutrinos conocidos y señales acústicas no acompañadas de eventos de neutrinos. Finalmente, desarrollaron una nueva técnica de reconstrucción específica de baja energía para analizar los datos experimentales reales de ArgoNeuT y buscarlos.

Y los encontraron. Observaron las señales intermitentes, que coincidió con los resultados simulados. No solo eso, pero las señales llegaron alto y claro:ArgoNeuT identificó las señales MeV como un exceso de 15 sigma, mucho más alto que el estándar para reclamar una observación en física de partículas, que es 5 sigma (lo que significa que hay una probabilidad de 1 entre 3,5 millones de que la señal sea una casualidad).

El resultado de ArgoNeuT demuestra una capacidad de crucial importancia para medir eventos de neutrinos MeV en argón líquido.

Curiosamente, los neutrinos nacidos dentro de una supernova también entran en el rango de MeV. El resultado de ArgoNeuT da a los científicos de DUNE una ventaja en uno de sus objetivos de investigación:mejorar nuestra comprensión de las supernovas mediante el estudio del torrente de neutrinos que escapan del interior de la estrella en explosión cuando colapsa.

El enorme detector de partículas DUNE, estar ubicado bajo tierra en Sanford Lab en Dakota del Sur, se llenará con 70, 000 toneladas de argón líquido. Cuando los neutrinos de una supernova atraviesan el enorme volumen de argón debajo de la superficie de la Tierra, algunos chocarán con los átomos de argón, produciendo señales recogidas por el detector DUNE. Los científicos utilizarán los datos recopilados por DUNE para medir las propiedades de los neutrinos de las supernovas y completar la imagen de la estrella que los produjo. e incluso potencialmente presenciar el nacimiento de un agujero negro.

Los detectores de partículas recogieron un puñado de señales de neutrinos de una supernova en 1987, pero ninguno de ellos eran detectores de argón líquido. (Otros experimentos de neutrinos usan, por ejemplo, agua, petróleo, carbón, o plástico como su material de detección preferido). Los científicos de DUNE necesitaban comprender cómo se verían las señales de menor energía de una supernova en el argón.

La colaboración ArgoNeuT es el primer experimento que ayuda a responder esa pregunta, proporcionando una especie de primer capítulo en la guía sobre qué buscar cuando un neutrino de supernova se encuentra con argón. Su logro podría acercarnos un poco más al conocimiento de lo que estos mensajeros del espacio exterior tendrán que decirnos.