En física, la antimateria es simplemente lo "opuesto" de la materia. Las partículas de antimateria tienen la misma masa que sus contrapartes pero con otras propiedades invertidas; por ejemplo, los protones en la materia tienen carga positiva mientras que los antiprotones son negativos. La antimateria se puede fabricar en un laboratorio mediante colisiones de partículas de alta energía, pero estos eventos casi siempre crean partes iguales de antimateria y materia y, cuando dos partículas opuestas entran en contacto entre sí, ambos son destruidos en una poderosa ola de energía pura.

Lo que desconcierta a los físicos es que casi todo en el universo, personas incluidas, está hecho de materia, no a partes iguales de materia y antimateria. Mientras buscaba información que pudiera explicar qué evitó que el universo creara galaxias de materia y antimateria separadas, o estallar en la nada, Los investigadores encontraron alguna evidencia de que la respuesta podría estar escondida en partículas muy comunes pero poco entendidas conocidas como neutrinos.

Un equipo de investigadores dirigido por Christopher Mauger publicó los resultados del primer conjunto de experimentos que pueden ayudar a responder estas y otras preguntas de la física fundamental. Como parte del programa de Aparatos criogénicos para pruebas de precisión de interacciones de argón con neutrinos (CAPTAIN), sus resultados, publicado en Cartas de revisión física , son un primer paso importante hacia la construcción del Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), una instalación experimental para la ciencia de los neutrinos y la investigación de la física de partículas.

Colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, hacer experimentos con quarks, un tipo de partícula elemental. Estos experimentos encontraron alguna evidencia que explica la simetría materia-antimateria, pero solo una parte. Experimentos con otro tipo de partícula elemental, leptones, insinúa que estas partículas podrían explicar más completamente esta asimetría universal. Investigaciones previas sobre neutrinos, un tipo de leptón, encontró patrones inesperados en los tres sabores de neutrinos, "Los resultados que los físicos creen también podrían significar que su asimetría podría ser mayor de lo esperado.

Pero el desafío del estudio de los neutrinos es que rara vez interactúan con otras partículas; un solo neutrino puede atravesar un año luz de plomo sin hacer nada. Encontrar estas raras interacciones significa que los investigadores deben estudiar una gran cantidad de neutrinos durante largos períodos de tiempo. Como desafío adicional, el flujo constante de muones producido por las interacciones de los rayos cósmicos en la atmósfera superior puede dificultar la detección de las interacciones poco frecuentes que los investigadores están más interesados ​​en ver.

¿La solución? Ir 5, 000 pies bajo tierra, construir cuatro detectores de 10 kilotones llenos de argón líquido, y dispara un rayo de neutrinos fabricado en un acelerador de partículas que se encuentra a 800 millas de distancia. Este es el objetivo final de DUNE, una instalación internacional de investigación de neutrinos dirigida por Fermilab, un laboratorio de aceleración y física de partículas cerca de Chicago. Excavaciones para el detector, que se instalará en las instalaciones de investigación subterránea de Sanford en Dakota del Sur, están en marcha, y los investigadores ahora están ocupados con experimentos antes de que se instale el primer detector en 2022.

Como la primera publicación de CAPTAIN, Los investigadores abordaron un desafío técnico clave:cómo manejar las mediciones de otras interacciones de partículas. Por ejemplo, cuando un neutrino interactúa con el argón, el neutrino toma una carga y expulsa neutrones. Una gran fracción de la energía de la interacción entrará en el neutrón, pero no ha sido posible determinar el monto. "Debemos comprender las interacciones argón-neutrón si queremos hacer correctamente el experimento que va a impactar nuestra comprensión de la asimetría de materia y antimateria, "dice Mauger.

Él y su equipo construyeron un prototipo de 400 kilogramos del detector DUNE, conocido como Mini-CAPITÁN, y recopiló datos de un haz de neutrones en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. Jorge Chaves, ex postdoctorado de Penn, quien trabajó como líder de análisis para esta investigación, dice que la mayor parte del trabajo implicó la reconstrucción de las señales del detector en conocimientos significativos sobre las propiedades que están interesados ​​en estudiar más a fondo.

Como el primer conjunto de datos sobre interacciones de neutrones en argón líquido en los rangos de energía que se utilizarán en DUNE, Chaves dice que está animado por los resultados obtenidos hasta el momento, aunque todavía necesitan obtener datos adicionales. "Antes, no hubo medición de esta sección transversal de interacción, pero ahora hemos proporcionado resultados experimentales reales, ", dice." Con más datos de la misma calidad, podríamos hacer una medición aún más precisa ".

En el corto plazo, El equipo de CAPTAIN se centrará en perfeccionar los métodos desarrollados para este documento, así como en ejecutar otros experimentos antes de que DUNE comience a recopilar datos en 2026. Una vez que el proyecto comience oficialmente, Los investigadores esperan poder utilizar esta función para ayudar a responder preguntas de los campos de la física de partículas, física nuclear, e incluso astrofísica.

Mauger considera los esfuerzos en curso de CAPTAIN y otros proyectos como "Investigación y desarrollo en física, "un trabajo que ayudará a los investigadores a recopilar mediciones importantes y estudiar fenómenos de una manera nunca antes realizada. Los muchos y elevados objetivos de DUNE tardarán décadas en completarse, pero Mauger dice que lo que están tratando de lograr hace que el esfuerzo valga la pena.

"Los neutrinos son tan difíciles de medir, algo enigmático, y hay algún tipo de atractivo en tratar de entender cómo funcionan. Estudiando esta partícula realmente interesante que nos rodea, y sin embargo es tan difícil de medir que podría ser la clave para comprender por qué estamos aquí, es emocionante, y puedo hacer esto para ganarme la vida, "dice Mauger.