Los neutrinos y antineutrinos son partículas casi sin masa producidas en muchas reacciones nucleares, incluida la fisión del uranio en las centrales nucleares de la Tierra y las reacciones de fusión en el núcleo del sol.
Pero son endiabladamente difíciles de detectar (la mayoría atraviesa la Tierra sin detenerse), lo que dificulta estudiar las reacciones nucleares que tienen lugar en el núcleo de las estrellas o en las explosiones estelares o monitorear las plantas de energía nuclear para detectar la producción ilícita de material para bombas.
Un nuevo tipo de detector de neutrinos que ahora se está probando en un vasto laboratorio subterráneo de la Universidad de California, Berkeley, está diseñado para aprovechar las últimas tecnologías para mejorar la sensibilidad y las capacidades de los detectores de antineutrinos. Estos detectores mejorados no sólo ayudarían a detectar, localizar y caracterizar material nuclear especial no declarado que se utilice en contra de las regulaciones federales o internacionales, sino que también ayudarían a los científicos a explorar la física fundamental de las partículas y sus interacciones en las profundidades del núcleo del átomo.
Llamado Eos, en honor a la diosa Titán del amanecer, el aparato señala "el amanecer de una nueva era de tecnología de detección de neutrinos", según Gabriel Orebi Gann, profesor asociado de física de UC Berkeley y líder de la colaboración Eos.>
El prototipo de detector podrá detectar y caracterizar actividades y materiales nucleares de forma remota, es decir, a distancias superiores a unos 100 metros. Si bien la radiactividad del material nuclear puede protegerse de la detección, los antineutrinos producidos en reacciones de fisión no pueden hacerlo. Dado que en un reactor se producen miles de millones cada nanosegundo, Eos debería poder detectar suficientes antineutrinos para identificar la producción clandestina de material apto para bombas.
"La idea de la detección de neutrinos es que no se puede falsificarlos, no se pueden proteger, no se pueden fingir. Los neutrinos viajan casi a la velocidad de la luz, por lo que proporcionan una detección casi instantánea, incluso a distancia. ofrecen una firma única de la actividad nuclear", dijo Orebi Gann, quien también es científico de la facultad del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).
"Si estás muy lejos o tienes una firma muy débil, entonces necesitas un detector grande. Y para un detector grande, necesitas líquido".
Eos es un cilindro de 10 metros de alto y 5 metros de ancho lleno de agua y un centelleador orgánico y rodeado de detectores de luz tres veces más sensibles que los que se utilizan en los experimentos de física actuales. La sensibilidad mejorada y la mayor resolución de Eos provienen de la combinación de dos de las mejores técnicas actuales para detectar neutrinos:el centelleo y la emisión de Cherenkov.
Las mejoras podrían cambiar las reglas del juego para futuros proyectos de física de neutrinos, como el Experimento Subterráneo de Neutrinos Profundo (DUNE, por sus siglas en inglés) que ahora se está construyendo en una mina de oro abandonada en Lead, Dakota del Sur, para detectar neutrinos emitidos por un acelerador de partículas en el Laboratorio Nacional Fermi. , a 500 millas de distancia, en Illinois. UC Berkeley y Berkeley Lab son miembros de la colaboración DUNE.
"Lo que en última instancia nos gustaría construir es un detector mucho más grande llamado Theia", dijo. "Theia es la diosa Titán de la luz y la madre de Eos en el panteón de los dioses. El lugar ideal para Theia es esa mina en Dakota del Sur, viendo esos neutrinos del Fermilab."
Queda por ver si Theia, que emplearía un tanque lo suficientemente grande como para casi tragarse la Estatua de la Libertad, reemplazará uno de los cuatro detectores "lejanos" de argón líquido planificados por DUNE.
Orebi Gann sostiene que un detector híbrido como Theia, si bien proporcionaría una sensibilidad comparable para estudiar el haz de neutrinos de alta energía que es el objetivo principal de DUNE, agregaría nuevas capacidades más allá de un detector de argón, incluida la capacidad de detectar antineutrinos. Theia también tendría una precisión de 2 grados para señalar la ubicación de una supernova a través de la explosión de neutrinos y tendría la capacidad de buscar neutrinos solares de baja energía y neutrinos de Majorana.
Eos es único por ser un híbrido de los dos tipos principales de detectores de neutrinos líquidos, los cuales comienzan con un tanque de líquido.
Una técnica se basa en un centelleador (en este caso, alquilbenceno lineal) que emite luz en respuesta a las partículas cargadas producidas durante las interacciones con un neutrino o antineutrino.
Los neutrinos y antineutrinos también pueden interactuar con otros materiales, como el agua, para producir un electrón, que luego emite su propia luz, aunque mucho más débil que la luz de centelleo. Esta última se llama radiación Cherenkov y se emite cuando el electrón atraviesa el líquido más rápido que la velocidad de la luz en el líquido, similar a la energía acústica de un estallido sónico producido por un avión que viaja más rápido que la velocidad del sonido.
En ambas técnicas, se colocan detectores de luz sensibles llamados tubos fotomultiplicadores alrededor del tanque para registrar la intensidad de la luz tenue. La intensidad del centelleo proporciona información sobre la energía del neutrino o antineutrino.
La radiación de Cherenkov, sin embargo, se emite en un cono, por lo que puede proporcionar información sobre la dirección de donde procede el neutrino, un dato fundamental para estudiar las fuentes de los reactores nucleares y las fuentes de neutrinos cósmicos.
"Los tubos fotomultiplicadores son sensibles a los niveles de luz de un solo fotón", dijo Orebi Gann. "Pero un centelleador líquido proporciona mucha más luz:si tienes un electrón con la misma energía, obtendrás 50 veces más luz, dependiendo del centelleador, que con la emisión de Cherenkov. Eso significa que obtienes una mayor precisión para comprender dónde se depositó la energía y cuánta energía había."
"Dijimos, está bien, no queremos elegir. No nos gusta el compromiso. Queremos ambos. Y ese es el objetivo aquí. Queremos la topología de la luz de Cherenkov, pero la resolución del centelleo", dijo. .
El problema es que la luz procedente del centelleo es tan brillante que abruma a la luz de Cherenkov.
Afortunadamente, la luz de Cherenkov sale en una ráfaga de picosegundos, mientras que la luz centelleante permanece durante nanosegundos.
"Si tienes detectores de fotones muy rápidos, puedes usar la diferencia de tiempo para ayudar a separar esas dos firmas", dijo. Eos rodeará el tanque de líquido con 242 tubos fotomultiplicadores fabricados por la firma japonesa Hamamatsu que son tres veces más rápidos que los fotomultiplicadores actuales.
La región visible de la luz de Cherenkov tiene un espectro de color más rojo que la luz de centelleo, que es mayoritariamente azul. El equipo aprovecha esto rodeando la primera fila de fotomultiplicadores con un filtro "dicroico" que refleja la luz roja de Cherenkov hacia el fotomultiplicador pero deja pasar la luz azul centelleante a los fotomultiplicadores de la parte posterior.
"Básicamente, estás clasificando tus fotones por longitud de onda y dirigiéndolos a diferentes detectores de fotones según la longitud de onda", dijo.
Orebi Gann y su equipo comenzaron a ensamblar Eos en septiembre, con un retraso de seis semanas por la destrucción del primer tanque de acero cuando el camión que lo transportaba chocó con un paso elevado. Los tanques son tan grandes que los investigadores tuvieron que albergar el experimento en un gran laboratorio en el sótano, anteriormente ocupado por un reactor nuclear, operado por el Departamento de Ingeniería Nuclear de UC Berkeley.
Rodearon el tanque de acrílico con los tubos fotomultiplicadores y luego elevaron todo el conjunto a un tanque cilíndrico de acero. Luego, el tanque de acrílico interno y el espacio entre los tanques de acrílico y acero se llenaron con agua pura, sumergiendo los tubos fotomultiplicadores en el espacio.
Una vez que el equipo pruebe la capacidad de Eos para detectar la luz de Cherenkov proveniente de fuentes radiactivas artificiales y muones cósmicos naturales, agregarán gradualmente material centelleador para probar la capacidad del experimento para discriminar entre los dos tipos de emisiones de luz.
"También hemos diseñado nuestro detector para que podamos desplegar centelleo líquido puro", dijo Orebi Gann. "Esta sería la prueba definitiva:si todavía podemos ver la firma de Cherenkov incluso con el componente de centelleo máximo."
Los planes exigen explorar qué tan bien Eos puede monitorear pequeños reactores modulares y embarcaciones marítimas de propulsión nuclear y verificar la transparencia de los sitios de prueba.
Orebi Gann también está ansioso por emplear el diseño Eos en estudios generales de física de neutrinos, como medir el flujo de neutrinos desde el núcleo del sol para verificar las reacciones nucleares previstas que lo impulsan; investigaciones de fuentes terrestres de neutrinos; mapear el fondo difuso de neutrinos de supernova en la Vía Láctea y más allá; y la búsqueda en curso de desintegración beta doble sin neutrinos, lo que indicaría que un neutrino es su propia antipartícula.
Todas estas cuestiones ya se están explorando con el detector de centelleo o Cherenkov, pero Orebi Gann espera que un detector híbrido acelere el progreso.
"El mismo tipo de física que cada uno de esos detectores ha hecho en el pasado, podríamos hacerlo mejor", dijo. "Ese es el objetivo. Es I+D para la próxima generación".
Proporcionado por la Universidad de California - Berkeley
