Los Elusivos Neutrinos Parte II. Tras la Pista de los Neutrinos.

Junio 09, 2023.

(Ver post anterior Los Elusivos Neutrinos. Parte I. Junio 09, 2023)

Para comprender mejor el comportamiento de la materia y del Cosmos, es necesario conocer más sobre uno de sus componentes más pequeños, los elusivos neutrinos; son diminutos, no tienen carga eléctrica, apenas tienen masa, se mueven casi tan rápido como la luz, y lo inundan todo.

A pesar de la abundancia de los neutrinos en el Universo, sus características físicas casi no les permiten interactuar con la materia. Son en extremo difíciles de detectar, y por ello se construyen inmensas instalaciones científicas para estudiarlos; algunos laboratorios se dedican a detectar los neutrinos producidos naturalmente, mientras que en el FERMILAB (Illinois, EUA) producirán sus propios neutrinos.

FERMILAB y una cooperación internacional de más de treinta países, con miles de científicos, y centenares de laboratorios y universidades, construye el monumental experimento de neutrinos DUNE o Deep Underground Neutrino Experiment. DUNE es un masivo productor y detector de neutrinos, diseñado para estudiar las elusivas partículas. Con DUNE los físicos esperan entender por qué el Universo está dominado por la materia, existiendo tan poca antimateria; los científicos del mundo entero esperan comprender mejor el comportamiento del átomo, con la perspectiva de encontrar la forma de unificar las Interacciones Fundamentales. Además de producir sus propios neutrinos, en DUNE podrán detectar los neutrinos procedentes de fuentes naturales, como los emitidos en explosiones de supernovas. DUNE está en plena construcción, proyectado para iniciar operaciones en 2027.

DUNE

El experimento básicamente está constituido por dos partes: los aceleradores de partículas y los detectores de neutrinos. El actualizado complejo de aceleradores de FERMILAB, contará con el Proton Improvement Plan-II o PIP-II para su LINAC; el cual utiliza tecnología de Cavidad de Radiofrecuencias por Superconductores, para darle mayor energía al haz de partículas antes de entrar en los aceleradores circulares. Los dos (2) ultramodernos detectores subterráneos podrán medir el comportamiento de los neutrinos, el instalado en FERMILAB (Illinois) y el de Sanford Undergound Research Facility (SURF) o Sanford Lab, en Dakota del Sur. Los detectores están separados 1.300 kilómetros, distancia que recorrerán los neutrinos bajo tierra, sin necesidad de tuberías, simplemente atravesarán la roca sólida a casi la velocidad de la luz desde Illinois hasta Dakota del Sur. El comportamiento de los diminutos neutrinos será cuidadosamente medido y los datos generados estarán a disposición de los investigadores de todo el mundo.

Produciendo neutrinos

DUNE producirá un compacto haz de trillones de neutrinos, a partir del impacto de alta energía de un haz de protones contra un blanco de grafito puro.

Unos gramos de Hidrógeno gaseoso (H2) serán ionizados dejando sólo protones, los cuales entrarán al acelerador lineal PIP II - LINAC (Linear Particle Accelerator), para recibir el primer impulso de 800 MeV; el haz de protones pasará al acelerador circular BOOSTER en donde girarán para obtener una energía de 8 GeV; luego del paso previo por el RECLYCLER, una especie de ordenador del haz, los protones entrarán al MAIN INJECTOR, el acelerador de partículas más poderoso, allí alcanzarán una energía de 120 GeV. En este punto el haz de protones viaja cerca de la velocidad de la luz (c), y es dirigido al blanco de grafito para el super energético choque contra los núcleos de los átomos de carbono.

Como resultado del choque los protones se harán pedazos y emergerá una inmensa cantidad de piones positivos, piones negativos y neutrones. En este punto se hará la selección, los piones positivos serán desviados por campos electromagnéticos, recorriendo una distancia que les permitirá decaer espontáneamente en muones y neutrinos, mientras se dirigen hacia un blanco de concreto y acero. Allí los inmensos muones serán absorbidos, mientras los neutrinos seguirán su camino hacia el Detector Cercano de Neutrinos, para luego ser liberados, saliendo de las instalaciones de FERMILAB (Illinois). A partir de allí las diminutas subpartículas atómicas viajarán 1.300 km a través de la roca sólida, hasta alcanzar el Detector Lejano de Neutrinos, en el Sanford Lab, Dakota del Sur.

Detectando neutrinos

El Detector Cercano está ubicado 60 metros en el subsuelo de FERMILAB; el Detector Lejano es el más grande, dista 1.300 km del primer detector, y está ubicado 1,5 km en el subsuelo de Sanford Undrgound Research Facility (SURF) o Sanford Lab.

La distancia que separa a los detectores es muy importante para conocer la evolución de los diminutos leptones, en su veloz viaje dentro del subsuelo. Con los datos de los detectores se identificarán los tipos de neutrinos y su oscilación o la transformación que les permite cambiar de tipo (sabor). Se medirán las características físicas de las diminutas subpartículas y cualquier fenómeno ligado a ellas. El Detector Lejano también tiene la particularidad de detectar y medir neutrinos producidos naturalmente, neutrinos procedentes del Sol o de una Supernova; por eso es el detector más grande y el que se encuentra a mayor profundidad en el subsuelo.

Las instalaciones de los detectores de neutrinos de DUNE contienen la máxima tecnología disponible. El Detector Cercano y el Detector Lejano de neutrinos consisten básicamente en grandes tanques de decenas de miles de toneladas de Argón (Ar) líquido ultrapuro, enfriado a 89,15 K (-184 °C), rodeados de una compleja y magnífica infraestructura de hardware y software, que medirán el comportamiento de las elusivas partículas. Cuando los neutrinos pasen por los tanques criogénicos, impactarán contra los núcleos de los inmensos átomos de Argón, produciendo partículas que golpearán a los numerosos electrones orbitales. Los electrones se desprenderán de sus átomos, trazando diversas trayectorias en el Argón líquido, las cuales serán seguidas por un campo electromagnético de alto voltaje, y graficadas en 3D. Son estos distintivos trazos de electrones, los que permitirán a los físicos conocer la naturaleza de las partículas que los produce, los elusivos neutrinos.

En los años por venir, la naturaleza develará algunos de sus secretos mejor guardados.

Fuente: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)

Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)