La colaboración del Experimento de neutrinos del reactor de Daya Bay, que hizo una medición precisa de una propiedad importante de los neutrinos hace ocho años, preparando el escenario para una nueva ronda de experimentos y descubrimientos sobre estas partículas difíciles de estudiar, ha terminado de tomar datos. Aunque el experimento se está cerrando formalmente, la colaboración continuará analizando su conjunto de datos completo para mejorar la precisión de los hallazgos basados ​​en mediciones anteriores.

El experimento recopiló suficientes datos en sus primeros 55 días de funcionamiento para anunciar un descubrimiento importante a principios de marzo de 2012. Para celebrar este éxito y otros que siguieron, La colaboración de Daya Bay y los funcionarios de la agencia científica participarán en una ceremonia el 12 de diciembre. para marcar el final de las operaciones en el sitio (consulte los detalles del evento a continuación).

La asociación internacional permite el éxito del experimento

Operando en un espacio subterráneo cavernoso que contiene una serie de grandes, detectores de partículas en forma de tambor sumergidos en grandes charcos de agua en Guangdong, Porcelana, El experimento se construyó a través de un esfuerzo internacional que contó con una asociación igualitaria única en su tipo en un importante proyecto de física entre los EE. UU. y China. El Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) con sede en Beijing de la Academia de Ciencias de China lidera el papel de China en la colaboración, mientras que el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Brookhaven Lab) codirigen la participación de EE. UU.

"Estamos muy contentos de ver el éxito del experimento, que ha realizado importantes descubrimientos científicos, "dijo Yi-Fang Wang, un ex portavoz de la colaboración de Daya Bay que ahora es director de IHEP. "La colaboración es verdaderamente internacional, y las lecciones que aprendimos aquí son invaluables. Esperamos otras colaboraciones en el futuro ".

IHEP supervisó la construcción del sitio experimental y la mitad de los detectores de Daya Bay, con la colaboración de Estados Unidos representando la otra mitad. También hubo contribuciones significativas de científicos e instituciones en Taiwán y Hong Kong, y en chile, la República Checa, y Rusia.

"Este ha sido un experimento tremendamente exitoso e importante, "dijo Kam-Biu Luk, el portavoz de EE. UU. para el experimento de Daya Bay y también un científico senior de la facultad en Berkeley Lab y un profesor de física de UC Berkeley. "Las mediciones de precisión y los descubrimientos en Daya Bay fueron posibles gracias a la destacada colaboración entre Estados Unidos y China y todos nuestros socios internacionales".

Los ocho detectores de Daya Bay están diseñados para captar señales de luz dentro de los líquidos centelleantes que contienen. Estas señales son generadas por interacciones con antineutrinos que fluyen desde seis reactores en las cercanas plantas de energía nuclear de Daya Bay y Ling Ao.

Los reactores nucleares producen una gran cantidad de antineutrinos a través del proceso de fisión nuclear, y lo hacen de una manera controlada con precisión, lo que convierte a los reactores en un lugar excelente para realizar experimentos con neutrinos y recopilar mediciones de alta precisión.

Los antineutrinos son las antipartículas de los neutrinos:abundantes partículas subatómicas que atraviesan la mayor parte de la materia de forma ininterrumpida. por lo que son difíciles de detectar. Durante las últimas siete décadas, Los científicos han hecho grandes progresos en el diseño de detectores para captar las señales esquivas de estas partículas "fantasmales".

"Los detectores de Daya Bay funcionan muy bien, superando nuestras expectativas, ", dijo el científico jefe de Daya Bay en Estados Unidos, Steve Kettell, de Brookhaven Lab." Este éxito es fundamental para nuestro descubrimiento ".

En busca de theta 13

Ubicado en tres salas subterráneas a una milla de los seis reactores, El experimento de Daya Bay fue diseñado para medir una propiedad relacionada con las transformaciones de las partículas, u oscilaciones, entre tres tipos diferentes, conocido como "sabores":electrón, muon, y tau. Daya Bay fue el primer experimento en medir con éxito, con certeza, un "ángulo de mezcla" llamado theta 13. Este ángulo de mezcla define la velocidad a la que los neutrinos se transforman en los tres sabores. Desde su primera medición en 2012, la precisión en la medición theta 13 de Daya Bay se ha multiplicado por seis.

Para determinar theta 13, Los científicos midieron cuántos neutrinos de un sabor específico, en este caso, antineutrinos electrónicos — fueron producidos por los reactores cercanos. A partir de ese número, pudieron determinar cuántos antineutrinos electrónicos deberían esperar medir utilizando los grandes detectores de Daya Bay. Luego, compararon la estimación con la real, número medido.

La medida theta 13, y otros dos ángulos de mezcla medidos por experimentos previos, ayúdanos a comprender el papel que jugaron los neutrinos en la evolución de nuestro universo. Si los científicos observan una diferencia en ciertas propiedades de los neutrinos frente a los antineutrinos, podría ayudar a nuestra comprensión del exceso de materia frente a antimateria en el universo.

Los científicos de Daya Bay ahora están llevando a cabo un análisis de los datos de los nueve años completos de operaciones del experimento. Este análisis permitirá mejorar las mediciones de las propiedades de los neutrinos, incluyendo una nueva precisión en theta 13 que es poco probable que se supere en las próximas décadas.

Bono inesperado

"La productividad científica de Daya Bay ha ido más allá de nuestra imaginación, "dijo el co-portavoz de Daya Bay, Jun Cao, de IHEP. "Además de precisar el valor de theta 13, una característica sorprendente surgió en el espectro de antineutrinos del reactor medido con los datos de alta calidad de Daya Bay ".

Un exceso local de antineutrinos, aproximadamente un 10% por encima de las expectativas teóricas a una energía de alrededor de 5 millones de electronvoltios (5 MeV), se muestra claramente, mucho más allá de las incertidumbres. El origen de esta discrepancia aún no está claro y requiere más estudios.

Mientras tanto, La determinación del rendimiento de antineutrinos del experimento de Daya Bay también encontró un posible sospechoso para explicar la llamada "anomalía del antineutrino del reactor":mediciones de menos antineutrinos de los que se habían esperado en los sitios de muchos reactores nucleares diferentes. Si bien una posibilidad de esta anomalía era que algunos antineutrinos se habían transformado en un hipotético cuarto tipo de neutrino llamado neutrino estéril, Los investigadores de Daya Bay encontraron que probablemente se debió a un modelo incompleto de la tasa prevista de producción de antineutrinos para un componente del combustible del reactor nuclear.

Adicionalmente, Equipos de científicos de dos importantes experimentos que estudian oscilaciones de neutrinos, el experimento de Daya Bay y el experimento MINOS + en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE, unieron fuerzas para producir otro análisis que descartó en gran medida cualquier posibilidad de neutrinos estériles en sus datos.

Implicaciones de las medidas

"El ángulo de mezcla theta 13, que muchos científicos sospechaban que sería cero, afortunadamente resultó ser mucho más grande de lo que anticipamos cuando planeamos el experimento, "Luk dijo, lo que permitió a los científicos extraer con precisión la frecuencia de oscilación y confirmar la teoría de la oscilación de neutrinos. Esto es un buen augurio para otros experimentos de neutrinos activos y futuros que intentarán medir el orden de las masas de los diferentes neutrinos. por ejemplo.

También podría beneficiar a los experimentos que exploran la posible relevancia de los neutrinos para el desequilibrio materia-antimateria del universo. Los físicos creen que los neutrinos pueden haber jugado un papel en este desequilibrio al romper una ley física fundamental conocida como violación de paridad de carga (CP). Esta violación implica que una partícula y su antipartícula se comportan de manera diferente.

La medición theta 13 de Daya Bay es la medición más precisa hasta ahora entre las tres mediciones de ángulos de mezcla relacionadas con las oscilaciones de neutrinos. La colaboración de Daya Bay fue reconocida por el éxito en medir con precisión theta 13 con la concesión del prestigioso Premio Breakthrough 2016 en Física Fundamental.

"Ahora que sabemos que theta 13 no es cero, Hemos desarrollado nuevas formas de estudiar el ordenamiento de masas de neutrinos. También nos permite buscar infracciones de CP en experimentos actuales y futuros, "Dijo Kettell.

Experimentos existentes sobre oscilación de neutrinos, como T2K en Japón y NOvA en Fermilab, beneficiarse de esta medida, El lo notó, al igual que el Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), un experimento de próxima generación que pronto comenzará a tomar datos en China, el proyecto Long Baseline Neutrino Facility / Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF / DUNE) en construcción en Fermilab, y el próximo experimento Hyper-Kamiokande en Japón.