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Detector de neutrinos ICARUS instalado en Fermilab

noviembre 23, 2018
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Durante cuatro años, tres laboratorios en dos continentes han preparado el detector de partículas ICARUS para capturar las interacciones de partículas misteriosas llamadas neutrinos en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU.

El 14 de agosto, el detector ICARUS se mudó a su nueva casa Fermilab, un edificio recientemente terminado que alberga el gran cazador de neutrinos de 20 metros de largo. Lleno de 760 toneladas de argón líquido para capturar las interacciones de neutrinos, es uno de los detectores de partículas más grandes de este tipo en el mundo.

Con este movimiento, ICARUS ahora se encuentra en el camino del haz de neutrinos de Fermilab, un hito que acerca al detector un paso más para tomar datos.

También es el paso final en una transferencia científica internacional. De 2010 a 2014, ICARUS operó en el Laboratorio Nacional italiano Gran Sasso, dirigido por el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear. Luego el detector fue enviado al laboratorio europeo CERN. Allí, fue reformado para su vida futura en Fermilab, en las afueras de Chicago. En julio de 2017, ICARUS completó su viaje transatlántico al laboratorio estadounidense.

“En la primera parte de su vida, ICARUS fue un instrumento exquisito para el programa Gran Sasso, y ahora el CERN lo ha mejorado, adaptándolo a la última tecnología”, dice el científico del CERN y premio Nobel Carlo Rubbia, quien dirigió el experimento. cuando estaba en Gran Sasso y actualmente lidera la colaboración de ICARUS. “Espero ansiosamente los resultados que salen de ICARUS en la fase Fermilab de su vida”.

Desde 2017, Fermilab, trabajando con sus socios internacionales, ha estado instrumentando el edificio ICARUS, preparándolo para el último movimiento corto del detector.

“Tener a ICARUS instalado es increíblemente gratificante. Hemos estado anticipando este momento durante cuatro años”, dice el científico Steve Brice, que encabeza la división Fermilab Neutrino. “Agradecemos a todos nuestros colegas en Italia y en el CERN por construir y preparar este sofisticado detector de neutrinos”.

Los neutrinos son famosos por su fugacidad. Rara vez interactúan con la materia: billones de partículas subatómicas pasan a través de nosotros cada segundo sin dejar rastro. Para atraparlos en el acto de interactuar, los científicos construyen detectores de tamaño considerable. Cuanto más masivo es el detector, mayor es la probabilidad de que un neutrino se detenga dentro de él, permitiendo a los científicos estudiar las partículas elusivas. Las 760 toneladas de argón líquido de ICARUS les dan a los neutrinos muchas oportunidades para interactuar. La interacción de un neutrino con un átomo de argón produce partículas cargadas de movimiento rápido. Las partículas cargadas liberan electrones atómicos de los átomos de argón cuando pasan, y estas pistas de electrones se dirigen a los planos de los cables cargados dentro del detector. Los científicos estudian las pistas para aprender sobre el neutrino que lo quitó todo.

El propio Rubbia encabezó el esfuerzo para utilizar el argón líquido como material de detección hace más de 25 años, y esa misma tecnología se está desarrollando para el futuro programa de física de neutrinos Fermilab.

“Este es un momento emocionante para ICARUS”, dice el científico del CERN Claudio Montanari, quien es el coordinador técnico de ICARUS. “Llevamos meses trabajando coreografiando y llevando a cabo todos los pasos necesarios para restaurarlo e instalarlo. Este movimiento es como el telón que desciende después del entreacto. Ahora veremos el próximo acto”.

ICARUS es una parte del programa Neutrino de base corta alojado en Fermilab, cuyo objetivo es buscar un tipo de neutrino hipotético pero nunca observado, conocido como neutrino estéril. Los científicos conocen tres tipos de neutrinos. El descubrimiento de un cuarto podría revelar nueva física sobre la evolución del universo. También podría abrir una vía para modelar la materia oscura, que constituye el 23 por ciento de la masa del universo.

ICARUS es el segundo de tres detectores de neutrinos de línea de base corta que se instalarán. El primero, llamado MicroBooNE, comenzó a funcionar en 2015 y actualmente está tomando datos. El tercero, llamado Detector cercano de base corta, está en construcción. Todos usan argón líquido.

Los potentes aceleradores de partículas de Fermilab proporcionan un suministro abundante de neutrinos y enviarán un haz intenso de la partícula a través de los tres detectores: primero SBND, luego MicroBooNE, luego ICARUS. Los científicos estudiarán las diferencias en los datos recopilados por el trío para obtener un manejo preciso del comportamiento del neutrino.

“Muchos misterios están encerrados dentro de los neutrinos”, dice el científico de Fermilab, Peter Wilson, coordinador de neutrinos de base corta. “Es emocionante pensar que podríamos resolver incluso uno de ellos, porque ayudaría a completar nuestra frustrante imagen incompleta de cómo el universo evolucionó hasta convertirse en lo que vemos hoy en día”.

Los miembros del equipo responsable de mover los módulos ICARUS se paran frente al detector.

Foto de Fermilab

Los tres experimentos de neutrinos de base corta son solo una parte del vibrante conjunto de experimentos de Fermilab para estudiar el neutrino sutil.

NOvA, el experimento más grande de neutrinos en funcionamiento de Fermilab, estudia un comportamiento llamado oscilación de neutrinos. Los tres tipos de neutrinos cambian de personaje, transformándose dentro y fuera de sus tipos a medida que viajan. Los investigadores de NOvA usan dos detectores gigantes espaciados a 500 millas de distancia, uno en Fermilab y otro en Ash River, Minnesota, para estudiar este comportamiento.

Otro experimento de Fermilab, llamado MINERvA, estudia cómo los neutrinos interactúan con núcleos de diferentes elementos, lo que permite a otros investigadores de neutrinos interpretar mejor lo que ven en sus detectores.

“Fermilab es el mejor lugar del mundo para hacer investigación de neutrinos”, dice Wilson. “Los aceleradores de partículas del laboratorio generan rayos repletos de neutrinos, que nos brindan muchas más posibilidades de estudiarlos con todo lujo de detalles”.

La construcción y operación de los tres experimentos de neutrinos de base corta son valiosos no solo para la investigación fundamental, sino también para el desarrollo del Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE) y la Instalación de neutrinos de base larga (LBNF), ambos hospedados por Fermilab .

DUNE será el experimento de oscilación de neutrinos más grande jamás construido, enviando partículas a 800 millas de Fermilab a la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur. El detector en Dakota del Sur, conocido como el detector remoto DUNE, es gigantesco: está hecho de cuatro módulos, cada uno tan alto y ancho como un edificio de cuatro pisos y casi tan largo como un campo de fútbol; se llenará con 70,000 toneladas de líquido. argón, aproximadamente 100 veces más que ICARUS.

El conocimiento y la experiencia que los científicos e ingenieros obtienen de la ejecución de los experimentos de Neutrino de línea de base corta, incluido ICARUS, informarán la instalación y operación de LBNF / DUNE, que se espera que comience a mediados de la década de 2020.

“Estamos desarrollando algunas de las tecnologías de detección de partículas más avanzadas jamás construidas para LBNF / DUNE”, dice Brice. “Al prepararse para ese esfuerzo, no hay sustituto para ejecutar un experimento que utiliza tecnología similar. ICARUS satisface perfectamente esa necesidad”.

Ochenta investigadores de cinco países colaboran en ICARUS. La colaboración pasará el próximo año instrumentando y poniendo en marcha el detector. Planean comenzar a tomar datos en 2019.

Nota del editor: una versión de este artículo fue publicada originalmente por Fermilab.