El Experimento Deep Underground Neutrino (DUNE) es una colaboración de investigación internacional destinada a explorar temas relacionados con los neutrinos y la desintegración de protones, que debería comenzar a recopilar datos alrededor de 2025. En un estudio reciente presentado en Cartas de revisión física , un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Ohio ha demostrado que DUNE tiene el potencial de ofrecer resultados innovadores y conocimientos sobre los neutrinos solares.

La astronomía de neutrinos es un campo que estudia los diferentes tipos de neutrinos. Investigación en este campo, como el reciente estudio realizado por el equipo de la Universidad Estatal de Ohio, ha aumentado drásticamente en las últimas décadas.

"Hasta donde sabemos, los neutrinos son partículas elementales, lo que significa que no están compuestos por 'piezas más pequeñas, '"Francesco Capozzi, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Estas partículas no poseen carga eléctrica, por lo que no pueden interactuar electromagnéticamente a través de la fuerza que mantiene juntos a los electrones y protones en un átomo".

Los neutrinos son partículas fascinantes, ya que sus principales propiedades son muy diferentes a las de otras partículas elementales. Por ejemplo, sus masas son increíblemente pequeñas, aproximadamente una millonésima parte de las siguientes partículas más ligeras (es decir, electrones).

Otra característica única de los neutrinos es que solo pueden interactuar con otra materia a través de la llamada "interacción débil". Como sugiere su nombre, esta 'interacción débil' es mucho más débil que la electromagnética; tan débiles que los neutrinos pueden viajar a través de la Tierra o el sol sin interactuar con otras partículas. Además, ya que son neutrales a cargo, los neutrinos no se ven afectados por los campos magnéticos de la Tierra o el sol.

"Las propiedades de los neutrinos los convierten en sondas únicas del universo, ", Dijo Capozzi." Pueden llevar información de regiones que de otra manera serían inaccesibles ".

Hay varias fuentes de neutrinos, y dependiendo de donde se produzcan, pueden diferir en flujos, energías por partícula, y otras propiedades. Neutrinos solares, por ejemplo, se producen en el núcleo del sol, pero luego puede escapar a otras partes del sistema solar. Aproximadamente 60 mil millones de neutrinos electrónicos por centímetro cuadrado llegan a la Tierra desde el sol cada segundo. El análisis de estas partículas podría permitir a los investigadores descubrir información en tiempo real sobre lo que está sucediendo en el mismo centro del sol.

Otro tipo de neutrino comprende los producidos durante las explosiones súper energéticas de estrellas masivas, neutrinos de supernova. Estos neutrinos llegan a la Tierra horas antes de la luz producida en la explosión, y provienen directamente de la parte más interna de una estrella en explosión, donde la densidad es tan alta que incluso los neutrinos pueden quedar atrapados por un tiempo. Estos son solo algunos ejemplos de fuentes de neutrinos, pero hay innumerables otros, algunos de los cuales aún no se han detectado.

"Incluso existen neutrinos que se han estado propagando libremente por el universo desde aproximadamente un segundo después del Big Bang, que llevan las huellas del universo primordial, "Dijo Capozzi." Sin embargo, todavía no hemos podido detectarlos ".

Según lo que los astrofísicos han observado hasta ahora, Los neutrinos vienen en tres 'sabores' principales:neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Cada uno de estos diferentes 'sabores' se identifica en función de la partícula cargada producida durante una interacción débil (es decir, electrones, muones o taus).

Hasta aquí, Detectar y estudiar neutrinos ha resultado increíblemente desafiante, principalmente debido al hecho de que rara vez interactúan con otra materia. Una forma de superar esta limitación es mediante la construcción de grandes detectores que compensen la baja probabilidad de interacciones de neutrinos aumentando el número de posibles partículas con las que pueden interactuar.

El detector Super-Kamiokande (Super-K) en Japón, que consiste esencialmente en un tanque lleno de 50, 000 toneladas del agua más pura disponible en la Tierra, es actualmente el detector más grande disponible para neutrinos MeV (de baja energía). Los neutrinos de baja energía son aquellos en el rango de energía MeV, que se producen principalmente en procesos nucleares, por ejemplo, a través de reacciones de fusión en el sol o en el centro de estrellas en explosión.

"Otro problema es que no podemos ver a los neutrinos usando detectores; solo podemos ver la partícula cargada producida en sus interacciones, "Explicó Capozzi. En Super-Kamiokande, por ejemplo, vemos la luz que estas partículas cargadas emiten en el agua cuando viajan casi a la velocidad de la luz ".

El sol es una de las fuentes naturales más importantes de neutrinos, ya que se producen a través de las mismas reacciones nucleares que permiten que brille el sol. Cuando los científicos comenzaron a detectar neutrinos solares en la década de 1960, encontraron que había menos neutrinos electrónicos de los que esperaban.

"Una posible explicación de esta anomalía fue que los neutrinos cambiaban su sabor mientras se propagaban, "Explicó Capozzi." Este fenómeno, ahora conocido como oscilación de neutrinos, es físicamente posible sólo si los neutrinos tienen masa. Se necesitaron unos 30 años para confirmar que la anomalía del neutrino solar era, Por supuesto, debido a oscilaciones de neutrinos ".

Esencialmente, aunque los neutrinos vienen en diferentes sabores, los científicos descubrieron que también pueden oscilar y "cambiar de sabor". Los dos físicos que descubrieron esto, Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2015.

"Quizás lo más extraño de los neutrinos es que oscilan, "Shirley Li, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Los neutrinos que nacen con un sabor pueden convertirse en neutrinos con un sabor diferente después de que se propagan a cierta distancia. Imagínese lo sorprendido que estaría si comprara una taza de helado de chocolate y vea que se convierte en helado de fresa una vez que lo abre en casa. Los físicos se sorprendieron igualmente cuando se descubrió la oscilación de neutrinos ".

Desde el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, Los investigadores han estado utilizando neutrinos solares para determinar los parámetros que describen sus oscilaciones. A pesar de los enormes esfuerzos para lograrlo, muchas preguntas quedan sin respuesta.

Primeramente, los investigadores no pudieron observar todas las reacciones nucleares a través de los neutrinos correspondientes. Por ejemplo, neutrinos 'hep', que se producen a partir de la fusión de un núcleo de helio y un protón, han resultado particularmente difíciles de observar. De hecho, mientras que los neutrinos hep son los más energéticos entre los neutrinos solares, tienen un flujo muy pequeño en comparación con otros neutrinos.

Además, los parámetros de oscilación determinados en los experimentos de neutrinos solares no concuerdan completamente con las mediciones recogidas en otros tipos de experimentos. Esto podría deberse a algunos fenómenos físicos desconocidos que solo afectan a los neutrinos solares.

"No nos hemos quedado sin preguntas sobre los neutrinos solares, nos hemos quedado sin avances en el detector, "John Beacom, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org.

Debido a las limitaciones de los detectores existentes, La mayoría de los experimentos de neutrinos actuales probablemente no podrán abordar preguntas sin respuesta. Esto inspiró a un gran equipo internacional de investigadores a comenzar a construir DUNE, un gran detector en una mina en Dakota del Sur que se encuentra a 4850 pies bajo tierra.

"En el pasado, ya se ha discutido que DUNE podría usarse como detector de neutrinos solares, también, "Dijo Capozzi." Sin embargo, no se ha realizado ningún estudio exhaustivo en esta dirección. Decidimos cubrir esta brecha, mostrando que DUNE es realmente capaz de proporcionar las respuestas a esas preguntas, básicamente sin inversión de dinero extra ".

En su estudio reciente, Capozzi, Li, Beacom y su colega Guanying Zhu se propusieron demostrar que la mina DUNE también podría ser un detector de neutrinos solares líder en el mundo. Para hacer esto, Primero evaluaron la cantidad de antecedentes de la mina, que es esencialmente algo que se observa en un detector que imita la señal que uno está buscando, incluso si tiene un origen completamente diferente. Este trasfondo puede confundir y afectar negativamente la medición y detección de neutrinos.

"En el rango de energía relevante para los neutrinos solares, el fondo más importante proviene de la radiactividad natural, "Explicó Capozzi." Dado que el experimento se basará en una cueva en una mina profunda, la radiactividad proviene de la roca circundante. Para hacer una estimación del fondo, primero tenemos que entender la composición de la roca esperada para el sitio del detector ".

Simular eventos de fondo en DUNE resultó ser algo desafiante, ya que pueden provenir de diversas fuentes, por lo que identificarlos requiere análisis en profundidad. Cuando empezaron a trabajar en su estudio, Así, los investigadores comenzaron a investigar las fuentes de fondo de los experimentos con neutrinos llevados a cabo en el pasado y calcularon estas tasas en el contexto de DUNE.

"Resulta que sus tasas son razonablemente bajas en comparación con las tasas de señal, "Dijo Li." Sin embargo, a mitad de nuestro estudio, descubrimos en la literatura la existencia de este trasfondo particular solo para los detectores de argón. Estos son neutrones de baja energía producidos a partir de radioactividades en la roca circundante. Esto resulta ser el trasfondo dominante para la medición de neutrinos solares en DUNE ".

Los investigadores basaron sus análisis en la literatura pasada que describe los aspectos geológicos de la mina de DUNE, que son de crucial importancia para completar las excavaciones adecuadas. Conociendo la composición exacta de la roca en la mina, luego pudieron realizar un cálculo para predecir su fondo esperado. Después, utilizaron herramientas estadísticas para evaluar la precisión que puede alcanzar DUNE al medir los parámetros de oscilación y el flujo de neutrinos que escapan del sol.

Una vez que identificaron las posibles fuentes de antecedentes en el experimento DUNE, intentaron idear estrategias para eliminar los fondos, ya que sus velocidades suelen ser mucho más altas que las velocidades de las señales de neutrinos. Se les ocurrieron dos soluciones distintas:una que implica rodear el detector con una capa de plástico y la otra recopilar datos durante el doble de tiempo para lograr una mejor sensibilidad.

"Para cada paso del experimento, tuvimos que encargarnos de más detalles, "Dijo Capozzi." Por ejemplo, tuvimos que tratar las interacciones de los neutrinos con cuidado con el detector, que estará hecho de argón líquido. En la energía relevante para los neutrinos solares, una interacción muy importante es con todo el núcleo de argón, que depende de complicados efectos nucleares ".

Antes de que se dispusieran a evaluar el potencial de DUNE como detector para descubrir cosas nuevas sobre los neutrinos, los investigadores revisaron todas las investigaciones anteriores sobre este tema, comparando los resultados que se obtuvieron utilizando diferentes técnicas experimentales y teóricas de física nuclear. Por último, seleccionaron la técnica que consideraron más apropiada y la implementaron usando computadoras locales en su universidad.

"Ahora tenemos un marco teórico que nos permite calcular la probabilidad de que los neutrinos nazcan con un sabor sintonizando con un sabor diferente, "Dijo Li." Esto depende de la energía del neutrino y la distancia de propagación, así como seis parámetros de oscilación. Queríamos medir tantos tipos de oscilación de neutrinos como pudiéramos, p.ej., neutrinos con cualquiera de los tres sabores que oscilan a otros sabores, para obtener las medidas más precisas de los seis parámetros de oscilación, y más importante, para evaluar si nuestro marco actual de oscilación de neutrinos era, Por supuesto, correcto."

El experimento DUNE está diseñado para estudiar neutrinos específicamente midiendo un flujo de neutrinos muónicos de alta energía que oscilan a neutrinos electrónicos que llegan a un gran detector en la mina subterránea con sede en Dakota del Sur. En última instancia, esto podría permitir a los investigadores medir dos parámetros de oscilación que se midieron aproximadamente en experimentos anteriores con mayor precisión.

El detector utilizado en el experimento DUNE es extremadamente grande en comparación con otros detectores existentes. Son 40 kilotones de argón con los que pueden interactuar los neutrinos, y detecta partículas a través de una tecnología de cámara de proyección de tiempo, permitiendo la colección de imágenes 3-D para cada interacción de neutrinos.

"Una pregunta natural es, ¿Qué más puede medir este detector asombroso? ", Dijo Li." Así es como se nos ocurrió la idea de medir los neutrinos solares con DUNE. La oscilación de los neutrinos solares es particularmente interesante. Hasta aquí, Los patrones de oscilación del neutrino solar y del neutrino del reactor discrepan ligeramente. Esto podría deberse a dos razones:o hay una fluctuación estadística poco probable en los datos actuales, o nuestra comprensión teórica actual de la oscilación de neutrinos no está completa. La segunda posibilidad es extremadamente emocionante ".

Otro experimento llamado JUNO, planeado para 2020, medirá los neutrinos que salen de los reactores nucleares. Los neutrinos solares y los neutrinos del reactor son, en principio, sensible a los mismos parámetros de oscilación. Entonces, si el marco teórico propuesto por los investigadores es correcto, los parámetros identificados en el experimento JUNO (es decir, para los neutrinos del reactor) deben alinearse con los recopilados en el experimento DUNE (es decir, para neutrinos solares).

Estudios anteriores han encontrado discrepancias entre los parámetros de oscilación del reactor y los neutrinos solares, pero las mediciones más precisas que se van a recopilar en los experimentos JUNO y DUNE podrían arrojar algo de luz sobre esta discrepancia. Esto, a su vez, podría conducir al descubrimiento de nuevos fenómenos físicos.

Hasta aquí, Ha habido cierto escepticismo en el mundo de la física acerca de que la mina subterránea DUNE es un detector de neutrinos solares eficaz. principalmente debido a la gran cantidad de antecedentes esperados, lo que podría afectar negativamente a los resultados. En su estudio, sin embargo, Capozzi, Li, Zhu y Beacom demostraron que DUNE podría conducir a mediciones de neutrinos solares líderes en el mundo, mientras que también permite potencialmente las primeras mediciones precisas de los neutrinos solares 'hep'.

"A pesar del escepticismo, pudimos demostrar que este fondo se puede reducir drásticamente aplicando algunos criterios de selección a lo que veremos en el detector, "Dijo Capozzi." El fondo a la izquierda solo dominará la señal a bajas energías. La parte de alta energía estará 'intacta, 'y estimamos que constará de 100, 000 neutrinos solares observados en cinco años ".

Además de demostrar el enorme potencial de DUNE, Capozzi Li, Zhu, y Beacom introdujo una serie de posibles mejoras teóricas y experimentales que podrían mejorar el rendimiento del detector DUNE. Estas mejoras también podrían beneficiar al proyecto en general, facilitando la investigación de otros fenómenos físicos.

Para abordar las preguntas sin respuesta, La próxima generación de detectores de neutrinos deberá tener un tamaño enorme y capacidades de detección avanzadas. Incluso usando estos detectores, Algunas de las propiedades y características de los neutrinos probablemente seguirán siendo un misterio, ya que aún quedan numerosos desafíos técnicos por superar.

"Sin esta medida en DUNE, es posible que nunca sepamos por qué los neutrinos solares parecen mezclarse de manera diferente a los antineutrinos del reactor, ", Dijo Beacom." No estamos diciendo que investigar esto será fácil, pero estamos diciendo que es importante ".

Los investigadores de la Universidad Estatal de Ohio ahora planean compartir los resultados de sus cálculos y simulaciones, así como sus sugerencias de mejora con la comunidad astrofísica en general. Esperan que esto provoque una conversación y, en última instancia, fomente cambios que podrían mejorar aún más el rendimiento del detector DUNE antes de que se lleve a cabo el experimento.

"Estamos emocionados de ver que la colaboración de DUNE está investigando los detalles de nuestro análisis, y con suerte veremos este análisis realizado cuando DUNE entre en línea, "Li dijo." En general, es un momento realmente emocionante para estudiar neutrinos, ya que hay tantas medidas y pruebas interesantes que se pueden hacer en estos experimentos. Todavía estoy tratando de llegar a medidas que no se hayan considerado antes y estudiar lo que pueden decirnos sobre los neutrinos y la física más allá del Modelo Estándar ".

Uno de los objetivos principales de la investigación futura del equipo será aprovechar al máximo las observaciones recopiladas en la mina DUNE o utilizar otros detectores grandes. Para hacer esto, el equipo planea continuar investigando nuevas técnicas que podrían hacer que los detectores sean más sensibles a los neutrinos producidos a partir de fuentes astrofísicas.

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