Con una directiva para buscar la física más allá del modelo estándar y estudiar el comportamiento de las partículas más elusivas del universo, El Programa de Neutrinos de Línea de Base Corta del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. tiene un plato lleno.

Consta de tres detectores:el detector cercano de línea de base corta, MicroBooNE e ICARUS:el programa ampliará las actividades de investigación de neutrinos internacionalmente aclamadas del Fermilab. Al estudiar las propiedades de los neutrinos con estos detectores, los científicos aprenderán más sobre el papel que juegan estas pequeñas partículas en el universo.

En el campus de Fermilab, los tres detectores se colocarán escalonados a lo largo de una línea recta, cada uno sondeando un intenso haz de neutrinos. SBND, en construcción, estará más cerca de la fuente del haz de neutrinos, a solo 110 metros del área donde los protones chocan contra un objetivo y crean un rayo de neutrinos muónicos. MicroBooNE, que comenzó a tomar datos en 2015, se encuentra a 360 metros de SBND, e ÍCARO, que comenzará su carrera de física este otoño, se encuentra 130 metros más allá de MicroBooNE.

Juntos, estos detectores estudiarán las oscilaciones de neutrinos con un detalle sin precedentes. En este proceso, un solo neutrino puede cambiar entre los tres tipos de neutrinos conocidos a medida que viaja por el espacio. Si hay un cuarto tipo de neutrino o si los neutrinos se comportan de manera diferente a lo que predice la teoría actual, Los científicos esperan encontrar evidencia de esta nueva física en los patrones de oscilación de neutrinos observados por los tres detectores.

Cuando esté completo, El detector del SBND estará suspendido en una cámara llena de argón líquido. Cuando un neutrino entra en la cámara y choca con un átomo de argón, enviará un chorro de partículas cargadas y luz, que registrará el detector. Estas señales proporcionarán a los científicos la información para reconstruir una imagen 3D precisa de las trayectorias de todas las partículas que emergieron de una colisión neutrino-argón.

"Verás una imagen que te muestra tantos detalles, y a tan pequeña escala, "dijo la científica Anne Schukraft, coordinador técnico del proyecto. "Si lo comparas con los experimentos de generaciones anteriores, realmente abre un nuevo mundo de lo que puedes aprender ".

Cargándose

En circuitos alimentados por batería, los electrones fluyen entre los terminales negativo y positivo. En SBND, los electrones producidos tras las colisiones de neutrinos seguirán el campo eléctrico creado dentro del detector:dos planos de ánodo y un plano de cátodo con carga negativa. Este no es un circuito pequeño sin embargo. Cada avión mide 5 por 4 metros, y el campo eléctrico entre el cátodo y cada ánodo será de 500 voltios por centímetro, con el cátodo conduciendo la friolera de 100, 000 voltios.

Los dos planos de ánodo, cada uno hecho de alambres delicados espaciados 3 milímetros, cubrirá dos paredes de lados opuestos del detector en forma de cubo. Recogerán los electrones creados por las partículas que emergen de las colisiones dentro del detector, mientras que los sensores de luz detrás de ellos registrarán los fotones, o partículas de luz.

En medio del detector, un plano vertical cubierto con una lámina reflectante actuará como cátodo. El equipo de montaje bajó el plano de cátodo pesado en su lugar en el marco de acero del detector a finales de julio y espera instalar el primer plano de ánodo a principios de octubre. Hasta la instalación, cada una de las capas sensibles a la luz se mantiene en un área limpia especial controlada.

Cuando está completamente ensamblado, el detector pesará más de 100 toneladas y estará lleno de argón mantenido a menos 190 grados Celsius. Todo el aparato se asentará en un criostato, Fabricado en acero grueso y paneles aislantes que mantienen todo frío. Un complicado sistema de tuberías circulará y filtrará el argón líquido para mantenerlo limpio.

Científicos de neutrinos, armar

Diferentes grupos en todo el mundo, principalmente basados ​​en los Estados Unidos, el Reino Unido., Brasil y Suiza:construyeron las piezas del detector y las enviaron al Fermilab. Pero el edificio similar a un almacén donde se ensambla el marco del detector no es el hogar para siempre del detector.

Una vez que los componentes están situados en el marco de acero, el equipo transportará el detector varias millas a través del sitio de Fermilab hasta el edificio SBND, dónde las cuadrillas están construyendo el criostato y dónde el detector realmente recopilará sus datos. Schukraft estima que SBND hará su debut de datos a principios de 2023.

"Lo bueno de SBND es que lo estamos construyendo desde cero, "dijo Mônica Nunes, investigador postdoctoral en la Universidad de Syracuse. "Así que todo lo que estamos aprendiendo sobre este proceso será realmente útil para la próxima generación de experimentos con neutrinos".

SBND complementará a MicroBooNE e ICARUS como el trío de sondas de física más allá del Modelo Estándar. En particular, los investigadores están buscando el neutrino estéril, un tipo de neutrino que no interactúa con la fuerza débil. Dos experimentos previos, el detector de neutrinos de centelleo líquido en el laboratorio nacional de Los Alamos y MiniBooNE en Fermilab, descubrió anomalías que apuntan a la existencia de estas elusivas partículas. Midiendo cómo los neutrinos oscilan y cambian los tipos, el Programa SBN tiene como objetivo confirmar o disputar estas anomalías y agregar más evidencia a favor o en contra de la existencia de neutrinos estériles.

"La idea es instalar un detector muy cerca de la fuente de neutrinos con la esperanza de capturar este tipo de neutrinos". "dijo Roberto Acciarri, codirector del conjunto del detector. "Luego, tenemos un detector lejano y otro en el medio, para ver si podemos ver neutrinos estériles cuando se producen y cuando oscilan ".

Los investigadores de SBND también examinarán con alta precisión cómo interactúan los neutrinos con los átomos de argón que llenan el detector. Debido a que SBND se encuentra tan cerca del origen del haz de neutrinos, registrará más de un millón de interacciones neutrino-argón por año. La física de estas interacciones es un elemento importante de futuros experimentos de neutrinos que emplearán detectores de argón líquido. como el experimento de neutrinos subterráneos profundos.

"Es fantástico ver el progreso casi a diario, ", dijo Schukraft." Todos estamos ansiosos por ver que este experimento comience a tomar datos ".