Comienza la construcción de un gran experimento internacional para entender los neutrinos
CIEMAT/DICYT Con una ceremonia celebrada el viernes 21 de julio en el Laboratorio Subterráneo de Sanford (Sanford Underground Research Facility, SURF) en Lead (Dakota del Sur, Estados Unidos), un grupo de dirigentes políticos, científicos e ingenieros de todo el mundo marcó el inicio de la construcción de un gran experimento internacional que podría cambiar nuestro conocimiento del Universo. Se trata de la instalación Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), que albergará el experimento internacional DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que será construido y operado por 1.000 científicos e ingenieros de 30 países, entre ellos España. El CIEMAT, el Instituto de Física Teórica (IFT, UAM-CSIC), el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) participan en su construcción.
Cuando esté finalizado, LBNF/DUNE será el mayor experimento construido en Estados Unidos para estudiar las propiedades de las misteriosas partículas llamadas neutrinos. Desvelar los misterios de estas partículas podrían ayudarnos a explicar mejor cómo funciona el Universo y por qué existe la materia.
Instituciones de decenas de países contribuirán a la construcción de los componentes de DUNE. Este experimento atraerá a estudiantes y jóvenes investigadores de todo el mundo, formando a la próxima generación de científicos que liderará este campo de investigación.
El laboratorio Fermilab, situado a las afueras de Chicago, producirá un haz de neutrinos y lo enviará a 1300 kilómetros a través de la Tierra hasta SURF, donde se construirán cuatro grandes detectores de una altura de cuatro pisos y 70 000 toneladas de argón líquido bajo la superficie para atrapar estos neutrinos.
Los científicos estudiarán las interacciones de los neutrinos en los detectores, para entender mejor los cambios que sufren estas partículas cuando viajan de un punto a otro en un abrir y cerrar de ojos. Desde su descubrimiento hace más de 60 años, los neutrinos han demostrado ser las partículas subatómicas más sorprendentes, y que oscilen entre tres estados diferentes es una de sus mayores sorpresas. Este hallazgo comenzó con un experimento de neutrinos solares dirigido por Ray Davis en los años 60, y llevado a cabo en la misma mina subterránea que ahora albergará a LBNF/DUNE. Davis obtuvo el Premio Nobel de Física en 2002 por este experimento.
Los científicos de DUNE también buscarán diferencias en el comportamiento entre los neutrinos y sus réplicas de antimateria, los antineutrinos, lo que nos podría dar pistas sobre por qué vivimos en un Universo dominado por la materia. DUNE también observará los neutrinos producidos en las explosiones estelares, lo que revelaría la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. También investigará si los protones viven para siempre o se desintegran eventualmente en otras partículas, acercándonos a la realización del sueño de Einstein: la Teoría de la Gran Unificación.
Pero antes de esto, se tiene que construir la instalación, algo que ocurrirá en la próxima década. Los operarios comenzarán la construcción excavando más de 870 000 toneladas de rocas para crear las enormes cavernas subterráneas del detector DUNE. Mientras, se construyen grandes prototipos de DUNE en el laboratorio europeo de física de partículas (CERN), uno de los mayores socios del proyecto, y la tecnología desarrollada para estas versiones más pequeñas se probará y ampliará cuando se fabriquen los grandes detectores de DUNE.
Esta instalación está financiada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, en colaboración con el CERN y otros socios de treinta países. Los científicos que participan en DUNE proceden de instituciones científicas de Armenia, Brasil, Bulgaria, Canadá, Chile, China, Colombia, Corea del Sur, Estados Unidos, España, Finlandia, Francia, Grecia, Holanda, India, Irán, Italia, Japón, Madagascar, México, Perú, Polonia, República Checa, Rumanía, Rusia, Suecia, Suiza, Turquía, Ucrania y Reino Unido.
Cuatro centros de investigación españoles forman parte de la colaboración científica del experimento DUNE. Sus contribuciones abarcan tanto el diseño y la construcción del experimento, en particular de los detectores que se instalarán en SURF, como los estudios para optimizar la explotación científica del experimento. Un paso previo y crucial a la construcción de estos detectores en SURF es fabricar prototipos para probar la tecnología. Esta tarea, donde las instituciones españolas también participan, se lleva a cabo en el CERN con la construcción de dos grandes prototipos, llamados ProtoDUNE single phase o ProtoDUNE fase única (ProtoDUNE-SP) y ProtoDUNE dual phase o ProtoDUNE doble fase (ProtoDUNE-DP), que se probarán con haces de partículas cargadas a partir de 2018.
La Unidad de Excelencia María de Maeztu del CIEMAT - Física de Partículas participa en el experimento DUNE a través del grupo de neutrinos. El grupo está formado por cuatro doctores, cuatro estudiantes de doctorado, cinco ingenieros y tres técnicos de apoyo.
El grupo de investigación de neutrinos del CIEMAT de Madrid, en coordinación con el IFAE de Barcelona, es responsable del sistema de detección de luz de ProtoDUNE-DP, formado por 36 fotomultiplicadores que detectan y amplifican la luz producida por las interacciones de partículas en el detector y la convierten en una señal eléctrica. El CIEMAT lleva a cabo la caracterización de estos fotomultiplicadores para comprender su respuesta ante distintas señales de luz. Los soportes mecánicos y componentes eléctricos necesarios para el funcionamiento de los fotomultiplicadores son diseñados y producidos también por el personal del CIEMAT.
Además, 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 realiza el IFAE. Para comprobar el correcto funcionamiento de los fotomultiplicadores, se está diseñando y probando un sistema de motorización de luz. Con el objetivo de demostrar la tecnología de doble fase a gran escala, primeramente se ha instalado un detector de 3x1x1 m³ en el CERN, que está tomando datos en la actualidad y los científicos del CIEMAT e IFAE se encargan del análisis de la luz recogida. Los resultados obtenidos de este análisis van a servir para completar el diseño del detector de ProtoDUNE-DP de 6x6x6 m³.
Además, el CIEMAT coordina el grupo de trabajo de DUNE dedicado a la detección de neutrinos procedentes de supernovas. La señal de luz producida por los fotomultiplicadores es vital al indicar el comienzo de los sucesos originados por la explosión de una supernova. Los científicos del CIEMAT están incluyendo el sistema de detección de luz dentro de los programas de simulación y análisis de datos.