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Cómo funciona el experimento de neutrinos subterráneos

Cómo funciona el experimento de neutrinos subterráneos

Los trabajadores organizaron una prueba de alto voltaje en el prototipo de detector de argón líquido DUNE de 35 toneladas. DUNE eventualmente implicará dirigir un haz muy intenso de neutrinos hacia grandes depósitos de argón ultrapuro para inducir colisiones entre neutrinos y átomos de argón. Reidar Hahn / Fermilab

La construcción del próximo gran experimento estadounidense de física de partículas comenzó este verano. El Experimento Deep Subterranean Neutrino, o DUNE, estudiará seriamente las partículas subatómicas espectrales. El experimento subterráneo implicará proyectar un poderoso rayo de neutrinos a través del manto de la Tierra, alcanzando una profundidad máxima de 48 kilómetros, y posiblemente revelar algunos de los mayores misterios de nuestro universo.

El experimento, realizado y financiado por una colaboración internacional, abarcará 1.300 kilómetros, comenzando en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en Batavia, Illinois, y terminando a más de un kilómetro bajo tierra bajo una mina de oro. , Dakota del Sur. Una vez completado, DUNE será parte de Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), una instalación de dos sitios que comenzará en Fermilab en Illinois y terminará en Sanford Underground Research Facility (SURF) en Dakota del Sur.

Mapeo de DUNE

Mapa de seguimiento del experimento de neutrinos subterráneos profundos

Diana Brandonisio / Fermilab

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Ir más profundo bajo tierra

Mil ochocientas millas (1.287 kilómetros) de roca no tienen consecuencias para los neutrinos. Estas extrañas partículas subatómicas son fermiones de muy baja masa y carga cero. Viajan cerca de la velocidad de la luz (porque son las partículas más pequeñas conocidas) e interactúan extremadamente débilmente con la materia normal. Inundan nuestro universo y se cruzan con todo lo que encuentran a su paso, ya sean nosotros o kilómetros de rocas.

¿Cómo saben los científicos que existen estas cosas si dan tanto miedo? Aquí es donde entran en juego los detectores criogénicos del tamaño de un edificio. DUNE mantendrá dos detectores subterráneos, uno estará cerca de la fuente de Fermilab (conocido como “detector cercano”) y el otro estará ubicado en una enorme instalación SURF (el “detector detector”). Después de una actualización de las instalaciones del Fermilab, el haz de neutrinos más intenso del mundo jamás producido se dirigirá a través del detector cercano y entrará en contacto con el detector distante, que consta de cuatro enormes tanques de argón líquido refrigerados criogénicamente. ¿En que punto? Cada tanque tendrá seis pisos y una cancha de fútbol larga y contendrá 18,739 toneladas (17,000 toneladas métricas) de argón líquido súper enfriado.

¿Qué es el argón? Bueno, los neutrinos interactúan débilmente, pero lo hacen muy de vez en cuando impacta directamente en los núcleos atómicos contenidos en la materia. Por lo tanto, al apuntar un haz de neutrinos muy intenso a depósitos de argón ultrapuro suficientemente grandes, un porcentaje muy pequeño de partículas espectrales alcanzará, por pura casualidad, los átomos de argón. Cuando ocurren colisiones, los detectores ultrasensibles dentro de los tanques percibirán un destello (conocido como parpadeo) y luego será posible estudiar la interacción. Pero debido a que estos detectores son tan sensibles y las interacciones son tan pequeñas, los detectores de neutrinos generalmente se entierran bajo tierra para protegerlos de la interferencia de los rayos cósmicos y otras radiaciones que causarían estragos si se expusieran en la superficie.

Estas interacciones débiles pueden abrirnos los ojos a una nueva física y mejorar nuestra comprensión de una de las partículas menos comprendidas de la física cuántica.

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Conociendo los neutrinos

Aplicación de Neutrino en la pizarra

Esta foto fue tomada durante la Semana de Acción de Neutrinos del Fermilab. Los científicos se han ocupado de los neutrinos desde la década de 1970.

Jill Preston / Fermilab

Los científicos aman los neutrinos por una variedad de razones. Aquí hay uno: proporcionan un vínculo directo entre nosotros y el núcleo de nuestro sol. Durante los procesos de fusión nuclear, se producen neutrinos y fotones de alta energía. Los fotones se absorben cuando chocan con el denso plasma solar y luego se vuelven a emitir con menor energía (un proceso que se repite hasta un millón de años antes de que la energía del núcleo solar finalmente se emita como la luz que vemos), pero los neutrinos lo harán. dispara directamente desde el núcleo del sol, a través del denso plasma y llega a la Tierra en segundos minutos. Entonces, si los físicos quieren conocer el entorno de fusión en el centro de nuestro sol Ahora mismo, apuntará a los neutrinos solares.

Pero hay un giro misterioso en los neutrinos solares.

Como sabemos, los neutrinos vienen en tres “sabores” – neutrino electrónico, neutrino muón y neutrino tau – y sus antipartículas. A medida que los neutrinos viajan, “oscilan” entre los tres sabores, al igual que un camaleón cambiaría de color en respuesta al color del entorno.

Sin embargo, el sol solo puede generar neutrinos electrónicos en su núcleo, por lo que cuando los físicos decidieron detectar estas diminutas apariciones utilizando los primeros detectores ultrasensibles en la década de 1960, detectaron muchos menos neutrinos de lo que predijo la teoría. En el trabajo ganador del Premio Nobel, los físicos finalmente han encontrado la razón. Resulta que los neutrinos electrónicos producidos por la fusión del Sol oscilan naturalmente entre los sabores de los neutrinos: electrón, muón y tau. Dado que los detectores solo podían observar neutrinos electrónicos, no se detectaron los neutrinos muon y tau. No hubo una falta anormal de neutrinos de electrones solares, simplemente cambiaron su sabor cuando llegaron al detector.

Lo que nos devuelve a Dune. Necesitamos un experimento controlado en la Tierra como DUNE para comprender estos cambios de sabor. Durante el experimento, se medirá el sabor de los neutrinos producidos por el acelerador de partículas Fermilab a medida que se envían a la mina de oro convertida en Dakota del Sur. Los neutrinos recibidos en SURF se pueden comparar con los enviados y se puede obtener una nueva comprensión de los neutrinos de naturaleza cuántica. ser forjado. Los científicos medirán con precisión las masas de estos neutrinos. Incluso pueden descubrir otros neutrinos además de los tres sabores conocidos.

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Pero espera hay mas. Mucho más

DUNE irá mucho más allá del estudio de las oscilaciones de neutrinos. Esto puede ayudarnos a comprender el no tan pequeño misterio de como existe nuestro universo. Puede parecer un dilema filosófico, pero el hecho de que nuestro universo esté compuesto principalmente de materia y no de antimateria es uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la ciencia moderna.

Durante el Big Bang, hace 13.800 millones de años, la materia y la antimateria deberían haberse creado en partes iguales. Por supuesto, todos sabemos lo que sucede cuando la materia y la antimateria se encuentran: explota o se aniquila, dejando solo energía. Entonces, si el Big Bang produjera partes iguales de materia y antimateria, no habría nada aquí.

El hecho de que ESTAMOS aquí significa que el universo produjo un poco más de materia que antimateria, por lo que cuando ocurrió toda esta aniquilación cuando nació el universo, la materia tomó el control y la antimateria se convirtió en una rareza extrema. Esto significa que algunas leyes físicas básicas se rompieron en el Big Bang, un enigma que los físicos llaman una violación de la paridad de carga, o una “violación de CP”. Los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones pueden probar por qué la naturaleza prefiere la materia a la antimateria, y DUNE también lo hará experimentando con neutrinos y su socio antimateria, la antimateria.

Se espera que el rayo de neutrinos en la planta de Fermilab esté operativo en 2026 y se espera que la construcción del detector DUNE final se complete en 2027. Esperamos estar a punto de hacer otro descubrimiento, similar al de Higgs.

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