La construcción del próximo gran experimento de física de partículas de Estados Unidos comenzó este verano. El Experimento Deep Underground Neutrino , o DUNE, estudiará algunas partículas subatómicas seriamente fantasmales. El experimento subterráneo implicará disparar un poderoso rayo de neutrinos a través del manto de la Tierra, alcanzando una profundidad máxima de 30 millas (48 kilómetros), y quizás desvelar algunos de los mayores misterios de nuestro universo en el proceso.
El experimento, administrado y financiado por una colaboración internacional, abarcará 800 millas (1.300 kilómetros), comenzando en Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en Batavia, Illinois, y terminando a más de una milla bajo tierra debajo de una mina de oro abandonada en Lead, Dakota del Sur. . Cuando se complete, DUNE se convertirá en parte de Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), una instalación de dos sitios que comenzará en Fermilab en Illinois y terminará en Sanford Underground Research Facility (SURF) en Dakota del Sur.
Profundizando en la clandestinidad
Mil ochocientas millas (1.287 kilómetros) de roca son intrascendentes para los neutrinos. Estas extrañas partículas subatómicas son fermiones que tienen una masa muy baja y carga cero. Viajan a una velocidad cercana a la de la luz (ya que son las partículas de menor masa que se sabe que existen) y están interactuando extremadamente débilmente con la materia normal. Inundan nuestro universo y viajan por todo lo que encuentran a su paso, ya seamos nosotros o millas de roca.
¿Cómo saben los científicos que existen estas cosas si son tan fantasmales? Aquí es donde entran los detectores criogénicos del tamaño de un edificio. DUNE mantendrá dos detectores subterráneos, uno estará cerca de la fuente de Fermilab (conocido como el "detector cercano"), y el otro residirá en una enorme instalación en SURF (el "lejos detector"). Después de una actualización de las instalaciones de Fermilab, el haz de neutrinos de mayor intensidad jamás producido en el mundo se dirigirá a través del detector cercano y se cruzará con el detector lejano, compuesto por cuatro tanques masivos de argón líquido refrigerados criogénicamente. ¿Qué tan masivo? Cada tanque tendrá seis pisos de altura y un campo de fútbol de largo, y contendrá 18,739 toneladas ( 17,000 toneladas métricas ) de argón líquido súper enfriado.
¿Qué pasa con el argón? Bueno, los neutrinos interactúan débilmente, pero muy ocasionalmente hacen un impacto directo con los núcleos atómicos contenidos en la materia. Entonces, al apuntar un haz muy intenso de neutrinos a tanques suficientemente grandes de argón ultrapuro, una proporción muy pequeña de las partículas fantasmales, por pura casualidad, impactará en los átomos de argón. Cuando ocurren colisiones, los detectores ultrasensibles dentro de los tanques notarán un destello (conocido como centelleo) y luego se puede estudiar la interacción. Pero como estos detectores son tan sensibles y las interacciones son muy pequeñas, los detectores de neutrinos generalmente se entierran bajo tierra para protegerlos contra la interferencia de los rayos cósmicos y otras radiaciones que causarían estragos si estuvieran expuestos en la superficie.
Estas interacciones débiles podrían abrir nuestros ojos a una nueva física y aumentarán nuestra comprensión de una de las partículas menos comprendidas de la física cuántica.
Conociendo los neutrinos
A los científicos les gustan los neutrinos por muchas razones. Aquí hay uno: proporcionan un vínculo directo entre nosotros y el núcleo de nuestro sol. Durante los procesos de fusión nuclear, se producen neutrinos y fotones de alta energía. Los fotones se absorben cuando chocan con el denso plasma solar y luego se vuelven a emitir a una energía más baja (un proceso que se repite hasta un millón de años antes de que la energía del núcleo solar finalmente se emita como la luz que vemos). pero los neutrinos se dispararán directamente desde el núcleo del sol, a través del denso plasma y llegarán a la Tierra en cuestión de minutos. Entonces, si los físicos quieren saber sobre el entorno de fusión en el centro de nuestro sol en este momento , recurrirán a los neutrinos solares.
Pero hay un giro misterioso en los neutrinos solares.
Como sabemos, los neutrinos vienen en tres "sabores" - el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau - y sus antipartículas. A medida que los neutrinos viajan, "oscilan" entre los tres sabores, como si un camaleón cambiara de color en respuesta al color de su entorno.
Sin embargo, el sol solo puede generar neutrinos electrónicos en su núcleo, por lo que cuando los físicos se propusieron detectar estas diminutas apariciones utilizando los primeros detectores ultrasensibles en la década de 1960, detectaron muchos menos neutrinos de lo que predijo la teoría. En el trabajo ganador del Premio Nobel , los físicos finalmente encontraron la razón. Resulta que los neutrinos de electrones producidos por la fusión del sol oscilan naturalmente entre los sabores de neutrinos: electrones, muones y tau. Dado que los detectores solo podían observar neutrinos electrónicos, los neutrinos muones y tau pasaron desapercibidos. No había una deficiencia anómala de neutrinos de electrones solares; simplemente habían cambiado de sabor cuando llegaron al detector.
Lo que nos devuelve a DUNE. Necesitamos un experimento controlado en la Tierra como DUNE para comprender estos cambios de sabor. Durante el experimento, se medirá el sabor de los neutrinos que produce el acelerador de partículas de Fermilab tan pronto como se envíen a la mina de oro convertida en Dakota del Sur. Los neutrinos recibidos en SURF se pueden comparar con los que se enviaron, y se puede forjar una nueva comprensión sobre la naturaleza cuántica de los neutrinos. Los científicos medirán con precisión las masas de estos neutrinos. Incluso pueden descubrir otros neutrinos más allá de los tres sabores conocidos.
Pero espera hay mas. Mucho más
DUNE irá mucho más allá del estudio de las oscilaciones de neutrinos. Podría ayudarnos a comprender el misterio no tan pequeño de cómo existe nuestro universo . Esto puede parecer un dilema filosófico, pero el hecho de que nuestro universo esté compuesto principalmente de materia y no de antimateria es una de las preguntas más importantes que se ciernen sobre la ciencia moderna.
Durante el Big Bang, hace unos 13.800 millones de años, la materia y la antimateria deberían haberse creado en partes iguales. Por supuesto, todos sabemos lo que sucede cuando la materia y la antimateria se encuentran: explota o se aniquila, sin dejar nada más que energía. Entonces, si el Big Bang produjera partes iguales de materia y antimateria, no habría nada aquí.
El hecho de que ESTAMOS aquí significa que el universo produjo un poco más de materia que antimateria, por lo que cuando ocurrió toda esa aniquilación en el nacimiento del universo, la materia ganó y la antimateria se convirtió en una rareza extrema. Esto significa que algunas leyes físicas básicas se rompieron en el Big Bang, un acertijo que los físicos llaman una violación de la simetría de paridad de carga, o una " violación de CP ". Los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones pueden probar por qué la naturaleza favorece la materia sobre la antimateria, y DUNE también lo hará, experimentando con neutrinos y su socio de antimateria, el antineutrino.
Se espera que el haz de neutrinos en las instalaciones de producción de Fermilab esté operativo para 2026, y se espera que la construcción del detector DUNE final esté completa para 2027. Hay muchas esperanzas de que podamos estar al borde de otro descubrimiento similar al de Higgs.
Eso es interesante
Si planea producir el rayo de neutrinos de mayor intensidad del mundo, necesitará reclutar a algunos científicos. DUNE ha acumulado 1.000 colaboradores de 30 países diferentes. Con esos números, se une a las filas de los experimentos realmente grandes, varios de los cuales se llevan a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones.
