Los científicos observan los primeros neutrinos con un prototipo de detector

En un paso importante para el Experimento Internacional de Neutrinos Subterráneos Profundos (DUNE), los científicos han detectado los primeros neutrinos utilizando un prototipo de detector de partículas DUNE en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía de EE. UU.

La nueva tecnología revolucionaria en el corazón del nuevo prototipo de detector de DUNE es LArPix, un innovador sensor pixelado de extremo a extremo y un sistema electrónico capaz de capturar imágenes eventos de neutrinos en 3D real que fue concebido, diseñado y construido por un equipo de físicos e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e instalado en Fermilab a principios de este año.

DUNE, actualmente en construcción, será el experimento de neutrinos más completo del mundo. Permitirá a los científicos explorar nuevas áreas de investigación sobre neutrinos y posiblemente abordar algunos de los mayores misterios de la física del universo, incluida la búsqueda del origen de la materia y el aprendizaje sobre las supernovas y la formación de agujeros negros.

Dado que DUNE contará con nuevos diseños y tecnología, los científicos están probando equipos y componentes prototipo en preparación para la instalación final del detector. En febrero, el equipo de DUNE terminó la instalación de su último prototipo de detector en la trayectoria de una línea de luz de neutrinos existente en Fermilab. El 10 de julio, el equipo anunció que había registrado con éxito sus primeros neutrinos producidos por acelerador en el detector prototipo, un paso hacia la validación del diseño.

“Se trata de un hito verdaderamente trascendental que demuestra el potencial de esta tecnología”, afirmó Louise Suter, científica del Fermilab que coordinó la instalación del módulo. “Es fantástico ver esta validación del arduo trabajo que se ha hecho para diseñar, construir e instalar el detector”.

Berkeley Lab lidera la integración de ingeniería del nuevo sistema de detección de neutrinos, parte del complejo de detectores cercanos de DUNE que se construirá en el sitio de Fermilab. Su prototipo, conocido como prototipo 2×2 porque tiene cuatro módulos dispuestos en un cuadrado, registra las trayectorias de las partículas con cámaras de proyección de tiempo de argón líquido.

“DUNE necesitaba un detector de TPC de argón líquido (LArTPC) que pudiera tolerar un entorno de alta intensidad, pero se pensaba que esto era imposible”, dijo Dan Dwyer, director del Grupo de Física de Neutrinos del Laboratorio Berkeley y líder técnico del proyecto para el Consorcio ND-LAr, que aportó elementos clave para el diseño y la fabricación del nuevo sistema. “Con la invención de LArPix, nuestro equipo en LBNL ha hecho realidad este sueño. El Demostrador 2×2 ahora instalado en DUNE combina nuestra lectura en 3D real con detectores de luz de alta cobertura, produciendo un detector de partículas verdaderamente innovador”.

Brooke Russell, ex becaria postdoctoral Chamberlain en Berkeley Lab y ahora becaria especial Neil y Jane Pappalardo en Física en el MIT, desempeñó un papel crucial en el desarrollo del prototipo 2×2, que describe como “un detector pionero en su tipo, con más de 337.000 píxeles individuales sensibles a la carga con una granularidad de aproximadamente 4 milímetros”. Berkeley Lab dirigió el diseño, la construcción y las pruebas del sistema de lectura de carga pixelada de extremo a extremo durante la pandemia de COVID-19.

“El funcionamiento del prototipo 2×2 en un haz de neutrinos marcará el comienzo de una nueva era de imágenes LArTPC inherentemente tridimensionales y de alta fidelidad para mediciones de interacción de neutrinos”, afirmó Russell.

La versión final del detector cercano DUNE contará con 35 módulos de argón líquido, cada uno de ellos más grande que los del prototipo. Los módulos ayudarán a navegar por el enorme flujo de neutrinos que se espera en el sitio cercano.

El prototipo 2×2 implementa tecnologías novedosas que permiten un nuevo régimen de imágenes de neutrinos detalladas y de vanguardia para manejar las condiciones únicas de DUNE. Tiene un sistema de lectura de píxeles de tamaño milimétrico, desarrollado por un equipo de Berkeley Lab, que permite obtener imágenes 3D de alta precisión a gran escala. Esto, junto con su diseño modular, distingue al prototipo de los detectores de neutrinos anteriores como ICARUS y MicroBooNE.

Ahora, el prototipo 2×2 proporciona los primeros datos de neutrinos del acelerador que serán analizados y publicados por la colaboración DUNE.

DUNE se divide en dos ubicaciones a cientos de millas de distancia: un haz de neutrinos originado en Fermilab, cerca de Chicago, pasará a través de un detector de partículas ubicado en el sitio de Fermilab, y luego viajará 800 millas a través del suelo hasta varios detectores enormes en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Dakota del Sur.

El detector DUNE del Fermilab analizará el haz de neutrinos cerca de su origen, donde el haz es extremadamente intenso. Los colaboradores esperan que este detector cercano registre alrededor de 50 interacciones por pulso, que se producirán cada segundo, lo que equivale a cientos de millones de detecciones de neutrinos a lo largo de los muchos años de funcionamiento previstos de DUNE. Los científicos también utilizarán DUNE para estudiar la contraparte de antimateria de los neutrinos, los antineutrinos.

Este flujo sin precedentes de neutrinos y antineutrinos producidos por aceleradores permitirá alcanzar los ambiciosos objetivos científicos de DUNE. Los físicos estudiarán las partículas con los detectores cercanos y lejanos de DUNE para aprender más sobre cómo cambian de tipo a medida que viajan, un fenómeno conocido como oscilación de neutrinosAl buscar diferencias entre las oscilaciones de neutrinos y las oscilaciones de antineutrinos, los físicos buscarán evidencia de una ruptura de simetría conocida como violación CP para determinar si los neutrinos podrían ser responsables de la prevalencia de la materia en nuestro universo.

La colaboración DUNE está formada por más de 1.400 científicos e ingenieros de más de 200 instituciones de investigación. Casi 40 de estas instituciones trabajan en el detector cercano. En concreto, el desarrollo del hardware del prototipo 2×2 estuvo a cargo de la Universidad de Berna (Suiza), el Fermilab del Departamento de Energía, el Laboratorio Berkeley y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, con importantes contribuciones de muchas universidades.

“El Demostrador 2×2 ha sido un verdadero trabajo hecho con mucho cariño”, afirmó Dwyer. “Todo empezó con unos cuantos equipos dedicados que vieron el potencial de que estas nuevas tecnologías se unieran para formar un detector de partículas excepcional. Ahora que el proyecto está avanzando, los resultados son muy impresionantes y estas espectaculares imágenes del Demostrador 2×2 demuestran que estábamos en el camino correcto”.

“Es maravilloso ver el éxito de la tecnología que desarrollamos para medir neutrinos en un haz de tan alta intensidad”, dijo Michele Weber, profesora de la Universidad de Berna, donde nació el concepto del diseño modular y donde se ensamblaron y probaron los cuatro módulos, quien lidera el esfuerzo detrás del nuevo sistema de detección de partículas. “Una demostración exitosa de la capacidad de esta tecnología para registrar múltiples interacciones de neutrinos simultáneamente allanará el camino para la construcción del detector de proximidad de argón líquido DUNE”.

Próximos pasos

Es necesario probar el prototipo 2×2 para demostrar que el diseño y la tecnología innovadores son eficaces a gran escala para satisfacer los requisitos del detector cercano. Nunca antes se había construido ni probado un detector modular de argón líquido capaz de detectar altas tasas de neutrinos y antineutrinos.

La línea de luz existente en Fermilab es un lugar ideal para realizar pruebas y presenta una oportunidad emocionante para que los investigadores midan estas misteriosas partículas. Actualmente está funcionando en “modo antineutrinos”, por lo que los científicos de DUNE utilizarán el prototipo 2×2 para estudiar las interacciones entre los antineutrinos y el argón.

Cuando los antineutrinos chocan con átomos de argón, como ocurrirá en el detector cercano lleno de argón, interactúan y producen otras partículas. El prototipo observará qué tipos de partículas se producen y con qué frecuencia. El estudio de estas interacciones de antineutrinos preparará a los científicos para comparar las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos con DUNE.

“Analizar estos datos es una gran oportunidad para que nuestros científicos jóvenes adquieran experiencia”, dijo Kevin Wood, coordinador de la primera ejecución del prototipo 2×2 y becario postdoctoral Chamberlain en Berkeley Lab, donde se desarrolló el novedoso sistema de lectura del prototipo. “Las interacciones de neutrinos captadas por el prototipo 2×2 proporcionarán un conjunto de datos muy esperado para que nuestros estudiantes de posgrado, posdoctorados y otros jóvenes colaboradores analicen mientras seguimos preparándonos para poner en línea DUNE”.

La colaboración DUNE planea bombardear el prototipo 2×2 con neutrinos del haz de Fermilab durante varios meses.

Sergio Bertolucci, profesor de física en la Universidad de Bolonia (Italia) y co-portavoz de DUNE junto con Mary Bishai del Laboratorio Nacional de Brookhaven, afirmó: “Este es un hito emocionante para el equipo 2×2 y toda la colaboración DUNE. Esperamos que esta sea la primera de muchas interacciones de neutrinos para DUNE”.