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Un termómetro de 25 pies para la ciencia de los neutrinos

noviembre 1, 2018
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Cuando los operadores de grúa en el CERN bajaron un termómetro personalizado de 25 pies en uno de los prototipos para el Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos a principios de este mes, parecía una pajita de plata que se deslizaba en un cartón de jugo gigante. Pero diseñar e instalar este intrincado instrumento estaba lejos de ser un juego de niños.

El termómetro fue construido por el Instituto de Física Corpuscular en Valencia, España, y luego enviado al CERN en tres piezas delicadas. El termómetro mide 5 pulgadas de diámetro y se bajó en su lugar a través de un orificio que tiene menos de 1 pulgada de margen de maniobra. Actualmente está colgando del techo de un criostato colosal, uno de los dos prototipos de detectores de argón líquido para el experimento DUNE.

DUNE es un proyecto de mega ciencia internacional organizado por el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. Estudiará partículas subatómicas llamadas neutrinos mediante el uso de los poderosos aceleradores de partículas de Fermilab para enviar el haz más intenso de neutrinos de alta energía del mundo a los detectores masivos de DUNE ubicados en Sanford Lab en Lead, Dakota del Sur.

El objetivo del termómetro es medir la temperatura del tanque de argón líquido del detector a 48 profundidades diferentes, lo que permite a los científicos asegurarse de que el sistema de filtración y enfriamiento del detector funcione como se espera.

“El argón se desplazará constantemente a través de un sistema externo de filtración y enfriamiento para mantenerlo puro y frío a aproximadamente menos 196 grados Celsius”, dice Anselmo Cervera, un científico del Instituto de Física Corpuscular que ayudó a diseñar y construir el termómetro. “Tomará aproximadamente 5.5 días para que todo el argón haga un pase completo a través de este sistema, por lo que su temperatura siempre variará en función de la profundidad. Sabemos por simulaciones cuáles deberían ser las temperaturas en cada profundidad, y si la medición coincide con la predicción, es una clara indicación de que el sistema de filtración y enfriamiento está funcionando correctamente “.

Según Cervera, esto es de la mayor importancia porque las impurezas (como el oxígeno o el agua) “comerán” los electrones emitidos como resultado de las interacciones de los neutrinos en el argón y destruirán su señal. “Nuestro objetivo es tener menos de 10 moléculas de agua por cada billón de átomos de argón”, dice Cervera.

El termómetro consiste en un esqueleto de fibra de vidrio con 48 sensores de platino espaciados a lo largo de su columna vertebral. Todo el instrumento está encerrado en una estructura metálica conocida como jaula de Faraday para evitar descargas eléctricas entre el termómetro y otras partes del detector.

El dispositivo puede determinar las temperaturas relativas del argón líquido dentro del criostato a 48 profundidades con una precisión de 0.005 grados Fahrenheit, aproximadamente 100 veces más precisa que un termómetro doméstico estándar. “Después de calibrar extensamente los sensores de platino, podemos calcular con precisión cualquier cambio en su temperatura midiendo los cambios en su resistencia eléctrica”, dice Cervera.

El termómetro es uno de dos dentro del criostato ProtoDUNE-SP. El segundo termómetro, que también mide 25 pies de largo y contiene 22 sensores, fue construido por la Universidad de Hawai y Fermilab. Utiliza una técnica diferente para calibrar sus sensores y obtener mediciones de temperatura de alta precisión a diferentes profundidades.

“Debido a que no podremos acceder al termómetro mientras está dentro del criostato para verificar sus medidas, hemos desarrollado una forma de calibrar continuamente sus sensores de temperatura moviendo el termómetro hacia arriba y hacia abajo en 1,5 metros [about 5 feet] dentro del argón líquido “, dice Jelena Maricic, profesora de la Universidad de Hawai que ayudó a diseñar y construir este termómetro. “Entonces podemos hacer una referencia cruzada de las mediciones de los sensores a diferentes alturas y verificar si los sensores están calibrados correctamente”.

Probar estos dos dispositivos dentro del detector protoDUNE-SP es un paso importante en el perfeccionamiento de la tecnología para DUNE, que constará de cuatro detectores, cada uno de los cuales será 20 veces más grande que los prototipos. En julio de 2017 se llevó a cabo una primera etapa para las cavernas que albergarán los detectores DUNE a una milla de distancia.