Hace un siglo, los físicos no sabían de la existencia de neutrinos, el más abundante, escurridizas y etéreas partículas subatómicas de materia en el universo.

Aunque son abundantes, cada neutrino individual casi no tiene masa. Sin embargo, "dan forma a muchos aspectos del universo tal como lo conocemos, "dijo Hirohisa Tanaka, profesor de física de partículas y astrofísica en la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC.

Es por eso que Tanaka y más de 1, 000 otros investigadores de más de 30 países participan en el experimento de neutrinos subterráneos profundos, o DUNE, auspiciado por el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía.

"Miles de millones de neutrinos pueden atravesarlo sin que se dé cuenta, por lo que son muy difíciles de encontrar y estudiar, "dijo Alfons Weber, profesor de física en la Universidad de Oxford.

Los neutrinos vienen en tres tipos que se transforman de uno en otro:electrón, muon y tau, y cada uno tiene un primo de antimateria. DUNE utilizará dos detectores de partículas separados por 800 millas (1, 300 kilómetros) para medir cómo se transforman los neutrinos, u oscilar, mientras viajan por el espacio, materia y tiempo. El detector cercano DUNE, ubicado en Fermilab en las afueras de Chicago, medirá los neutrinos y cómo interactúan antes de que oscilen. El detector de distancia DUNE, se ubicará en las instalaciones de investigación subterránea de Sanford en Dakota del Sur, los observará después de la oscilación.

El proyecto es ambicioso en su alcance internacional y objetivos científicos. Podría proporcionar una nueva perspectiva sobre la mezcla desequilibrada de materia y antimateria, el fenómeno que hizo posible la formación de materia en el universo. Un descubrimiento tan importante requerirá que ambos detectores trabajen en conjunto.

"Debido a la oscilación, la metodología es medir el haz de neutrinos en el sitio cercano y luego en el sitio remoto y comparar los dos comportamientos, "dijo Luca Stanco del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, a menudo referido por su acrónimo italiano, INFN. "Es fundamental tener bajo control todas las características del haz de neutrinos en el detector cercano, de donde viene el rayo. "

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, Michele Weber de la Universidad de Berna, y Alan Bross y Jennifer Raaf, de Fermilab, juegan un papel clave en el desarrollo de los componentes del detector cercano DUNE que atrapan neutrinos.

Tres sistemas de subdetectores

Aprovechando las lecciones aprendidas de experimentos anteriores, los diseños de los detectores se han vuelto más sofisticados. El detector cercano DUNE, se instalará a unos 600 metros de donde se producen los neutrinos en los aceleradores de Fermilab, constará de tres subdetectores que se ubicarán uno al lado del otro.

Uno de los subdetectores, conocido como ARENA, con sus 15, 000 kilómetros (9, 320 millas) de fibras centelleantes y sus 5, 000 fotomultiplicadores, detectará neutrinos con un calorímetro electrónico, que mide la energía de las partículas, y un rastreador, que registra los momentos y la carga de las partículas. Un segundo subdetector, basado en la tecnología ArgonCube desarrollada en la Universidad de Berna en Suiza, utilizará argón líquido para imitar las interacciones de neutrinos en el detector lejano, y el tercero utilizará argón gaseoso. Trabajando juntos, medirán partículas con más precisión que la que otros detectores de neutrinos pueden lograr.

"Es un sistema muy complicado, "dijo Stanco, quien lidera el grupo que trabaja en SAND.

SAND se colocará directamente en la trayectoria del haz de neutrinos para medir su estabilidad y composición. Los dos detectores basados ​​en argón, mientras tanto, será movible, capaz de sentarse directamente en la trayectoria de la viga o inclinarse hacia un lado. Los diferentes ángulos de visión permitirán a esos detectores medir cómo cambian las interacciones de los neutrinos a medida que cambian las energías de las partículas.

El subdetector de argón líquido funcionará de la misma manera que el detector de lejos mucho más grande de DUNE:cuando los neutrinos interactúan con el argón líquido, la interacción creará partículas cargadas que serán detectadas por componentes electrónicos que se amplifican, digitalizar y luego enviar señales a una computadora donde se puede reconstruir la información contenida en las señales.

Varias generaciones anteriores de experimentos con neutrinos han dado lugar a una evolución en el diseño de detectores de neutrinos. Cuando se diseñaron los detectores para esos experimentos anteriores, "No teníamos idea de lo mal que entendíamos cómo interactúan los neutrinos y todos los diferentes efectos que necesitamos estudiar para hacer una medición sólida". "dijo Alfons Weber.

Los detectores de argón líquido necesitan masas de muchos kilotones para aumentar sus posibilidades de observar interacciones de neutrinos.

"Siempre hablamos de que los neutrinos son escurridizos y difíciles de detectar, "dijo Tanaka, cuyo equipo SLAC proporcionará componentes clave del subdetector líquido-argón. "Solo ves algunos de ellos y muy raramente".

Lo contrario se aplicará al detector cercano. Allí, "el haz de neutrinos que estamos produciendo es tan intenso que en el subdetector de argón líquido veremos algo así como 50 interacciones en una millonésima de segundo, " él dijo.

El desafío así creado es identificar neutrinos individuales, sus energías y sus tipos a una velocidad que coincide con la avalancha de neutrinos que verá el detector cercano.

Para capturar esos datos, el subdetector de argón líquido constará de una matriz de 35 módulos más pequeños que funcionan de manera casi independiente. Cada módulo de la matriz tendrá una masa de aproximadamente tres toneladas. Cuando se aplica alto voltaje al volumen de argón líquido, los electrones que de otro modo serían pasivos en los átomos de argón se liberan y comienzan a moverse hacia una serie de elementos de detección.

El argón líquido, enfriado a ese estado desde su forma gaseosa, es tan denso que las partículas de menor energía escapan a su detección. Para capturar esas partículas escapadas, el subdetector de gas de argón se encuentra junto a su homólogo de argón líquido. Se producirán muchas menos interacciones de neutrinos en el gas argón debido a su menor densidad.

"Puede medir otras cosas en el subdetector de gas de argón que no puede medir en el subdetector de argón líquido, ", Dijo Weber. Esto incluye medir los efectos de las interacciones de neutrinos en los núcleos de argón, un proceso que crea incertidumbre en las mediciones de la oscilación de neutrinos.

Búsqueda de nuevas partículas

Los tres subdetectores que trabajan en combinación harán posible que los físicos busquen fenómenos que vayan más allá de los límites de las leyes físicas conocidas. Como el acelerador de partículas del inyector principal de Fermilab genera neutrinos que pasan a través del detector cercano DUNE, "también podrían producirse otras partículas, partículas de las que aún no sabemos nada, ", Dijo Weber." También podrían producirse otras partículas, partículas de las que aún no sabemos nada ".

Los neutrinos pesados ​​y los fotones oscuros entran en esta categoría. La existencia de neutrinos pesados ​​podría explicar el hecho desconcertante de que los neutrinos conocidos tienen una masa diminuta, y su descubrimiento podría ayudar a explicar la naturaleza de la materia oscura. Los fotones oscuros serían los primos invisibles de los fotones regulares, que son partículas electromagnéticas. La detección de fotones oscuros, si existen, podría iluminar el sector oscuro expansivo pero actualmente invisible del universo.

Y luego está lo inesperado.

"Creo y espero que tengamos una sorpresa en el resultado de la física, "Dijo Stanco.