Un equipo del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) trabaja en el desarrollo de una nueva técnica de detección para el experimento DUNE, el más sofisticado del mundo en el estudio de los neutrinos, ubicado entre el acelerador de partículas PIP-II, en Fermilab, y el laboratorio subterráneo de Sanford (EE. UU.). Entre los objetivos científicos de DUNE se encuentra la observación, con una precisión sin precedentes, de cómo los neutrinos cambian de identidad o ‘sabor’ mientras se desplazan, lo que podría ayudar a explicar la asimetría observada entre la materia y antimateria en nuestro universo.

Los neutrinos son fantasmas extremadamente veloces del mundo subatómico. Como su masa es tan pequeña y no tienen carga eléctrica ‒de ahí lo de neutrino‒ apenas interaccionan con otras partículas. De hecho, son tan ligeros y débilmente interactuantes que el mundo en que vivimos les resulta altamente transparente. Los hay de 3 tipos ‒electrónicos, muónicos y tauónicos‒ y mientras viajan por el espacio van mutando de identidad (‘sabor’, en la jerga del campo) según la diferencia de masa entre ellos. Determinar las propiedades de los neutrinos de forma directa es además muy difícil, pero existen métodos indirectos para conocer su naturaleza y comportamiento escurridizo que pueden ser claves para responder a una de las grandes cuestiones actuales de la física: ¿por qué hay más materia que antimateria en el universo?

Para contribuir a este objetivo nace ND-GAr, un detector de neutrinos en cuyo diseño está participando un equipo del IGFAE liderado por el investigador Diego González-Díaz. ND-GAr se instalará en los próximos años en uno de los mayores experimentos de neutrinos jamás construido, DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) del Laboratorio Nacional Fermi, próximo a Chicago. El acelerador PIP-II de Fermilab disparará protones acelerados a casi la velocidad de la luz contra un blanco, creando el chorro de neutrinos más potente del mundo hasta la fecha. Cerca de la fuente de neutrinos se ubicará el detector cercano (‘Near Detector’), donde se instalará el ND-GAr, y a 1.300 kilómetros de distancia los recibirá otro detector, el detector lejano (‘Far Detector’). Durante ese viaje a más de un kilómetro bajo tierra, los neutrinos cambian sus propiedades y el objetivo de ND-GAr es contribuir a la determinación, con la mayor precisión hasta la fecha, de cuántos neutrinos se convierten en antineutrinos durante el viaje, y viceversa. La comunidad científica cree que, si conseguimos caracterizar suficientemente bien estas minúsculas oscilaciones de neutrinos, podremos resolver el misterio por el que cual la materia gobierna sobre la antimateria en nuestro Universo.

Esquema del Near Detector (Detector Cercano) que se instalará en DUNE y sus distintos subcomponentes. En rojo, la cámara TPC que está siendo diseñada por un equipo del IGFAE. Crédito: colaboración DUNE.

La clave podría estar en el diferente comportamiento de neutrinos y antineutrinos frente al fenómeno de oscilación que, en el vacío, se caracteriza a través del denominado “ángulo (fase) de violación carga-paridad (CP) en el sector leptónico”. Una vez confirmado y, especialmente, cuantificado, este diferente comportamiento entre neutrinos y antineutrinos, resulta posible establecer relaciones teóricas entre fenómenos análogos para otras partículas/antipartículas fundamentales del Modelo Estándar de física de partículas. En particular, sus interacciones y, en última instancia, la manera en la que la materia y antimateria se creó y destruyó durante el origen del universo, haciendo prevalecer de manera asimétrica una de las dos.

Tras la huella de los neutrinos con cámaras TPC

ND-GAr es una cámara de proyección temporal (TPC), un tipo de detector que combina campos eléctricos y magnéticos con gases ricos en argón en el caso de DUNE, permitiendo así reconstruir en 3D la trayectoria de las partículas producidas en las interacciones de los neutrinos. El equipo del IGFAE está diseñando un método para leer el centelleo inicial que se produce cuando el haz de neutrinos interacciona con el gas del detector (señal comúnmente denominada de ‘T₀’). Esto permitirá suprimir eventos que no estén asociados con el haz de neutrinos, así como mejorar la reconstrucción de las partículas cargadas emergentes. En concreto, mejorará la estimación de la energía y el ángulo de dispersión de los neutrones y rayos-gamma que se producen en interacciones de ‘corriente neutra’, un tipo de interacción del neutrino que presenta unas características de reconstrucción especialmente complicadas y que por ello está mucho menos estudiada hasta la fecha.

Esquema del ND-GAr, mostrando la cámara TPC (HPgTPC), rodeada del calorímetro electromagnético (ECAL). Crédito: colaboración DUNE.

“Un aspecto particularmente interesante de este proyecto es que ahora estamos empezando a comprender el potencial del detector para reconstruir partículas producidas en conjunción con el haz de neutrinos y predichas en diferentes extensiones del Modelo Estándar”, señala Diego González-Díaz, coordinador del proyecto. “Para conseguirlo es esencial poder obtener el tiempo de la interacción, y la detección en fase gaseosa representa significativas mejoras en comparación con otras técnicas existentes”.

“Todavía necesitamos comprender mejor los aspectos técnicos, pero la demostración experimental de la existencia de una mezcla de gas fuertemente centelladora a 10 atmósferas de presión, junto con la estabilidad operacional de un mini ND-GAr construido en el IGFAE, ha marcado un antes y un después. El trabajo persistente de Pablo Amedo y Sara Leardini, estudiantes de doctorado del IGFAE, junto con apoyo técnico de David José Fernández y David González Caamaño (técnico de IGFAE) en los últimos meses ha sido increíble”.

En la actualidad, se está evaluando la respuesta completa de la TPC para determinar de forma más cuantitativa el impacto de la señal lumínica producida por los neutrinos al interaccionar con el gas en los diferentes canales de física. Este trabajo se realiza con simulaciones por ordenador, utilizando el software Geant4 y los datos de las medidas experimentales que lidera la investigadora postdoctoral del IGFAE Ángela Saa. “Este trabajo también permitirá establecer cómo optimizar la lectura óptica, en particular, qué sensores usar y cómo configurarlos. Nuestro objetivo es, hacia final de año, implementar en el IGFAE la tecnología seleccionada para la detección de luz en un mini-ND-GAr ya de tamaño medio (20 litros). Estamos aún muy lejos de entender de manera completa las nuevas posibilidades que se nos están abriendo, pero el horizonte científico-tecnológico es fascinante”, apunta Diego Gónzalez-Díaz.

Proyecto internacional con participación española

DUNE es un consorcio internacional formado por más de 1000 científicos, 200 instituciones y 30 países, donde el IGFAE participa con este proyecto en el que trabajan en la actualidad Ángela Saa, Pablo Amedo, Sara Leardini, Miguel Morales, David José Fernández, Alberto Sánchez y David González. Además de numerosos colaboradores internacionales, en España cuenta con el apoyo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y Universidad de Granada.

Este proyecto está financiado por el programa IGNITE* del IGFAE y el programa H2020 a través del proyecto AIDAinnova para el desarrollo y transferencia de nuevas tecnologías de detectores de partículas en Europa durante los próximos 4 años y, en concreto, para la optimización de TPCs presurizadas de nueva generación con lectura óptica.

Referencias:

Preprint: “Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector Conceptual Design Report”. DUNE Collaboration. arXiv:2103.13910v1

Imagen principal: mini ND-GAr, prototipo construido en el IGFAE del detector ND-GAr que se instalará en DUNE. Crédito: IGFAE.