La colaboración DUNE ha publicado su primer artículo científico basado en datos recopilados con el detector monofásico ProtoDUNE ubicado en la plataforma Neutrino del CERN. Los resultados muestran que el detector está funcionando con una eficiencia superior al 99%, haciéndolo no solo el más grande, sino también la cámara de proyección de tiempo de argón líquido con mejor rendimiento hasta la fecha. Los científicos ahora están usando sus hallazgos para refinar sus técnicas experimentales y prepararse para la construcción del Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos en la instalación de neutrinos de línea de base larga. un programa experimental de neutrinos de próxima generación organizado por Fermilab del Departamento de Energía en los Estados Unidos.

"Estos primeros resultados son una gran noticia para nosotros, "dijo el co-portavoz de DUNE Stefan Söldner-Rembold, profesor de la Universidad de Manchester en el Reino Unido. "Demuestran que el detector ProtoDUNE-SP funciona incluso mejor de lo previsto. Ahora estamos listos para la construcción de los primeros componentes del detector DUNE, que contará con módulos detectores basados ​​en este prototipo, pero 20 veces más grande ".

DUNE es un ambicioso experimento internacional que medirá las propiedades de diminutas partículas fundamentales llamadas neutrinos. Los neutrinos son la partícula de materia más abundante del universo, pero debido a que rara vez interactúan con otras partículas, son increíblemente difíciles de estudiar. Hay al menos tres tipos diferentes de neutrinos, y, cada segundo, 65 mil millones de ellos pasan por cada centímetro cuadrado de la Tierra. Mientras viajan hacen algo peculiar:cambian de un tipo a otro. Los científicos creen que estas oscilaciones de neutrinos, así como las oscilaciones que involucran neutrinos de antimateria, podrían ayudar a responder algunas de las grandes preguntas de la física, como la asimetría materia-antimateria observada en el universo. DUNE también buscará neutrinos de supernovas y buscará procesos subatómicos raros como la desintegración de protones.

"ProtoDUNE-SP muestra que podemos escalar este tipo de tecnología al tamaño y la resolución que necesitamos para finalmente poner a los neutrinos bajo un microscopio muy poderoso, "dijo Marzio Nessi, coordinador de la Plataforma CERN Neutrino.

La medición precisa de estas oscilaciones limitará e incluso descartará algunos modelos teóricos y abrirá nuevas vías para descubrir y explorar fenómenos subatómicos raros. Pero para obtener esas medidas precisas, los científicos necesitan detectores sensibles y fiables.

"Los resultados de ProtoDUNE muestran que hemos diseñado un detector que nos permitirá alcanzar nuestros objetivos científicos en DUNE, "dijo Elizabeth Worcester, científico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía y coordinador de física de DUNE.

DUNE está diseñado para revelar la naturaleza de las oscilaciones de neutrinos disparando un intenso haz de neutrinos desde Fermilab cerca de Chicago a través de 1, 300 kilómetros (800 millas) de tierra y en cuatro módulos detectores subterráneos gigantes ubicados a 1,5 kilómetros de profundidad en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. Dos detectores ProtoDUNE en el CERN, uno basado en una tecnología monofásica y el otro basado en una tecnología de argón líquido de fase dual, son un paso hacia la construcción de los enormes módulos detectores DUNE. cada uno lleno de 17, 000 toneladas de argón líquido. El Informe de diseño técnico de DUNE, publicado en febrero, es el plan para construir estos módulos.

En el CERN, Los científicos de DUNE de todo el mundo utilizaron rayos cósmicos y un haz de prueba de 800 GeV para evaluar el detector ProtoDUNE-SP. El haz de prueba del acelerador SPS del CERN pasó a través de dos objetivos separados para crear haces de electrones, protones y otros tipos de partículas. Los detectores de partículas ubicados en las afueras de ProtoDUNE midieron la energía y la identidad de estas partículas de haz de prueba antes de que ingresaran a ProtoDUNE-SP. Dentro del detector delicados planos de cables intercalados con detectores de fotones cuelgan dentro de 800 toneladas de transparente, argón líquido. Cuando una partícula que pasa interactúa con el argón, arroja electrones sueltos que son atraídos por un campo eléctrico de alto voltaje a varios metros de los planos de los cables cerca de las paredes del detector. De la señal en los cables, los científicos crean una imagen en 3-D de la trayectoria de la partícula y pueden determinar su energía e identidad. Al comparar esta información del interior de ProtoDUNE-SP con las propiedades conocidas de la partícula del haz de prueba original, pudieron calibrar con precisión el aparato y optimizar el complejo software de reconstrucción.

Al igual que la calidad de una foto varía significativamente según la calidad de la cámara y el software de edición de un fotógrafo, la calidad de los datos físicos es tan buena como el detector y sus herramientas de reconstrucción. Los científicos que trabajan en ProtoDUNE-SP han aprendido de experimentos pasados ​​con neutrinos y han alcanzado un nivel de rendimiento que antes era imposible. Todos los datos del detector contienen pequeñas variaciones, llamado ruido, que a veces puede ser difícil de distinguir de las señales creadas por partículas. Este es un problema común en todos los experimentos de física, y los científicos piensan constantemente en formas innovadoras de mejorar la calidad de los datos mediante una combinación de aumento de la intensidad de la señal y disminución de la cantidad de ruido. En este primer artículo de DUNE, los científicos muestran cómo pudieron lograr una relación señal / ruido de 50 a 1, lo que anteriormente era imposible de lograr para las cámaras de proyección de tiempo de argón líquido. También evaluaron la confiabilidad del detector y encontraron que más del 99% de sus 15, 360 canales de detección funcionan como deberían.

"Si algunos canales de un detector no funcionan, los científicos tienen lagunas en sus datos, "dijo Tingjun Yang, un colaborador de DUNE en Fermilab que dirigió el análisis de datos de ProtoDUNE. "Las herramientas de análisis de datos pueden ayudar a cerrar esas brechas, Pero hay un límite. El número de canales inactivos en ProtoDUNE es inferior al 1%, brindándonos una reconstrucción de eventos altamente eficiente. ProtoDUNE-SP demuestra que podemos alcanzar y superar nuestras metas físicas ".