Grupos de investigación españoles ensamblan, caracterizan e instalan los fotosensores para ProtoDUNE en el CERN

Los grupos españoles que participan en el experimento DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) son responsables del diseño, caracterización y operación del sistema de fotodetección, formado por las llamadas X-ARAPUCAs, que se va a emplear en el detector lejano. Las X-ARAPUCAS son unos dispositivos capaces de atrapar la luz ultravioleta incidente dentro de un módulo altamente reflectante, modificar su longitud de onda al rango visible y guiarla hasta unos fotomultiplicadores de silicio donde son detectados. Esta funcionalidad, junto con su capacidad para identificar fotones individuales, las convierte en una única y novedosa tecnología.

Construir los potentes detectores de DUNE supone un gran reto para la comunidad científica. Para desarrollar la tecnología necesaria, se han construido, en la Plataforma de Neutrinos del CERN, dos prototipos de tamaño medio (6x6x6 m3 y casi 1 kton de LAr), ProtoDUNE-HD y ProtoDUNE-VD.

Desde el pasado mes de marzo hasta mayo de 2022, el grupo de neutrinos del CIEMAT ensambló y caracterizó los dispositivos X-ARAPUCAs de ProtoDUNE-HD. Concretamente, el CIEMAT se ha encargado de preparar y validar 74 de un total de 180 dispositivos con los que contará ProtoDUNE-HD, siendo una notable contribución. Para llevar a cabo todo el proceso, fue necesario diseñar un sistema experimental que permitiese trabajar a temperaturas criogénicas (cerca de los -195ºC) y, además, los investigadores tuvieron que ser capaces de caracterizar varias X-ARAPUCAs al mismo tiempo. Siguiendo el protocolo marcado por la colaboración, se han medido parámetros como la ganancia, corriente oscura y coeficiente de señal frente a ruido, asegurando el correcto funcionamiento de las X-ARAPUCAs enviadas al CERN.

Parte del grupo de neutrinos del IFIC y del CIEMAT ha estado localizado en el CERN, desde el pasado mayo hasta septiembre, para instalar las X-ARAPUCAs enviadas por las distintas instituciones. Gracias a la contribución española, todos los módulos han sido ensamblados, testeados e instalados. Con esto, el sistema de luz para ProtoDUNE-HD está prácticamente preparado para su próxima puesta en marcha.

Además, el grupo de neutrinos del CIEMAT también está trabajando en la determinación de la eficiencia de las X-ARAPUCAs, un parámetro de gran relevancia para el análisis de los datos que se tomarán en ProtoDUNE. Por su parte, el grupo del IFIC está trabajando en la optimización de la eficiencia de las X-ARAPUCAs. Para ello está, por un lado, desarrollando una simulación que busca entender aspectos ópticos y geométricos de los módulos, y por otro, preparando un montaje experimental para caracterizar cada uno de los elementos ópticos que las componen en las diferentes longitudes de onda a las que van a ser expuestas, incluyendo el ultravioleta profundo. Adicionalmente, se está preparando un prototipo para automatizar la caracterización de los fotomultiplicadores que conformarán las X-ARAPUCAs.

El grupo de neutrinos de la Universidad de Granada centra su actividad en la caracterización de los fotomultiplicadores de silicio que se encuentran dentro de las X-ARAPUCAs. Este grupo ha hecho una caracterización completa (curvas de voltaje-intensidad, ganancia, corriente oscura y ruido correlacionado) de los dos modelos de fotomultiplicadores instalados en los prototipos del CERN. Así mismo, una vez probada la tecnología de las X-ARAPUCAs en los ProtoDUNE, el grupo de Granada verificará de forma masiva el buen funcionamiento de los fotomultiplicadores antes de su instalación final en DUNE.

El estado del experimento DUNE se ha discutido durante el mes de septiembre, tanto en la reunión de la colaboración internacional que ha tenido lugar en Mánchester (Reino Unido), como en la específica de la contribución española a DUNE que se ha desarrollado en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE, Santiago de Compostela). También hay que señalar que los grupos españoles tienen una contribución destacada en los estudios de física de DUNE y en el desarrollo de nuevas tecnologías para el detector cercano (grupo del IGFAE) y lejano (CIEMAT, IFIC y Universidad de Granada).

Sobre DUNE

El experimento DUNE, que estará operativo a final de década, está siendo diseñado por una colaboración internacional para medir de manera precisa las oscilaciones de neutrinos y con el objetivo de tener sensibilidad a la hora de detectar neutrinos de baja energía provenientes de diferentes fuentes astrofísicas, como las supernovas. Además, DUNE prevé llevar a cabo búsquedas de física más allá del Modelo Estándar.

DUNE estudiará las oscilaciones de un haz de neutrinos muónicos producidos en Fermilab, Illinois (EE.UU.), y detectados a 1300 km en el Sanford Underground Research Facility (SURF), situado en Dakota del Sur (EE.UU.) a 1,5 km bajo tierra. Para ello, contará con dos detectores de neutrinos: el detector cercano, en Fermilab, se encargará de realizar una caracterización precisa del haz de neutrinos cerca de la fuente y el detector lejano, en SURF, estará compuesto por cuatro cámaras de proyección temporal de argón líquido (LArTPCs) de 17 kilotoneladas cada una.

Cuando los neutrinos interaccionan en las LArTPCs, producen partículas cargadas cuyo paso a través del argón líquido genera dos efectos en sus átomos: su ionización, liberando electrones que son guiados por un campo eléctrico y recogidos por un ánodo consiguiendo una reconstrucción del evento con una resolución espacial de mm; y la producción de fotones de centelleo en el rango del ultravioleta, que son captados por un sistema de fotodetección que aporta información temporal precisa del evento.