Comienzan las pruebas con el prototipo a gran escala de una nueva tecnología para detectar neutrinos

Han comenzado en el CERN las pruebas con un prototipo de un nuevo detector de neutrinos que utiliza una tecnología novedosa y muy prometedora llamada "doble fase". Si tiene éxito, esta tecnología se utilizará a una escala mucho mayor para el experimento internacional de neutrinos DUNE, alojado en Fermilab (EE.UU.). Los científicos comenzaron a operar el detector ProtoDUNE de doble fase en el CERN a finales de agosto, y ya han observado las primeras trazas de partículas. El detector es un cubo de aproximadamente seis metros de largo en cada dirección, del tamaño de una casa de tres pisos, y está lleno de 800 toneladas de argón.

Esta nueva tecnología se utilizaría además de los denominados detectores de fase única que se han operado con éxito durante muchos años. "La tecnología de fase única es un método probado que se utilizará para construir el primer módulo para el detector DUNE", dijo el co-portavoz de DUNE, Ed Blucher, de la Universidad de Chicago. "La tecnología de doble fase proporciona un segundo método que tiene un gran potencial para incrementar las capacidades del detector DUNE". De hecho, la tecnología de doble fase puede cambiar las reglas del juego, pues amplifica significativamente las débiles señales que crean las partículas cuando atraviesan el detector.

El ProtoDUNE de fase única, que comenzó a tomar datos en el CERN en septiembre de 2018, está completamente lleno de argón líquido. Los sensores sumergidos en el líquido registran las débiles señales generadas cuando un neutrino se estrella contra un átomo de argón. La versión de doble fase utiliza argón líquido como blanco y una capa de argón gaseoso sobre el líquido para amplificar las señales de las partículas antes de que lleguen a los sensores ubicados en la parte superior del detector, dentro del gas argón. La configuración de doble fase podría generar señales más intensas, permitiendo a los científicos buscar interacciones de neutrinos de baja energía.

El detector de doble fase presenta un solo volumen activo sin componentes del detector en el medio del argón líquido, y un número reducido de elementos de lectura en la parte superior. Esto reduce el 'espacio muerto' dentro del volumen del detector y ofrece a los neutrinos un blanco más grande. La electrónica de toma de datos también es innovadora: cada panel tiene una superficie de nueve metros cuadrados, y se suspende unos pocos milímetros por encima del nivel del líquido. Estos paneles se colocan en la capa de gas cerca de la parte superior del detector, que tiene unas chimeneas especiales que se abren desde el exterior. Esto ofrece la ventaja de que se puede acceder a la electrónica incluso cuando la mayoría del detector está lleno de argón líquido a una temperatura inferior a −184° C.

Participación española

El grupo de neutrinos del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) de Madrid y el del Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) de Barcelona son responsables del sistema de detección de luz de este prototipo. Los 36 fotomultiplicadores que forman el sistema fueron caracterizados en el CIEMAT a temperatura criogénica e instalados en el CERN por miembros del grupo. Los fotomultiplicadores detectan y amplifican la luz producida por las interacciones de partículas en el detector y la convierten en una señal eléctrica.

Los fotomultiplicadores requieren un revestimiento especial que permite cambiar la luz invisible producida en el argón a una longitud de onda visible por los detectores, tarea que ha realizado el IFAE. Por su parte. el grupo del CIEMAT ha fabricado los soportes mecánicos y los componentes electrónicos. Además, La ganancia de los fotomultiplicadores se mide con un sistema de calibración desarrollado por los grupos españoles. Ambos grupos también han desarrollado el programa de adquisición de datos. Ahora, estos grupos son responsables de la toma y análisis de los datos de luz con el objetivo de comprender la producción y propagación de la luz de centelleo de argón líquido en un detector de doble fase.

Los prototipos de una y dos fases en el CERN son pequeños componentes del detector que la colaboración DUNE planea construir en Estados Unidos durante la próxima década: un módulo detector DUNE albergará el equivalente a veinte ProtoDUNEs y operará a hasta 600 000 voltios. DUNE planea construir cuatro módulos de detección basados ​​en la tecnología de argón. Estos se ubicarán 1,5 kilómetros bajo tierra, en el laboratorio subterráneo SURF en Dakota del Sur. Los científicos los usarán para comprender si los neutrinos podrían ser la razón por la que la materia domina sobre la antimateria en nuestro universo.

Los resultados de estas medidas en el CERN ayudarán a decidir cuántos módulos contarán con la tecnología de fase única y cuántos utilizarán la tecnología de fase doble. Además del CIEMAT y del IFAE, el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) de Valencia, la Universidad de Granada (UGR) y el Instituto de Física Teórica (IFT, UAM-CSIC) de Madrid son los centros españoles que forman parte del experimento DUNE. Los miembros de estos grupos contribuyen de forma coordinada a su diseño y construcción, así como a los estudios para optimizar la explotación científica del experimento.