O persoal encargado da construción do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) finalizou a colosal escavación do espazo onde se ubicarán os detectores distantes (‘Far Detectors’) deste experimento, soterrado a 1.500 metros de profundidade no Laboratorio Subterráneo de Sanford, en Dakota do Sur (Estados Unidos). Esta colaboración internacional na que participa o IGFAE, centro mixto da Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia, está a desenvolver un experimento de gran magnitude para afondar no coñecemento dos neutrinos. Estas fuxidías partículas poden dar resposta a algunhas das preguntas clave na conformación do Universo, como o predominio da materia sobre a antimateria, o proceso de creación dos buracos negros ou o vínculo entre a materia escura e os propios neutrinos.

1.500 metros baixo o solo e 800.000 toneladas de rochas

O Fermilab, laboratorio nacional de aceleradores do Departamento de Enerxía dos EUA, anunciou este xoves a finalización dos traballos, que escavaron 800.000 toneladas de rochas ata chegar aos 1.500 metros de profundidade. Nestas cavernas comezarán a instalarse, a finais de ano, os detectores de neutrinos distantes de DUNE, nunha superficie aproximada á de oito campos de fútbol, unha vez verificados os seus principios técnicos de funcionamento na ‘Plataforma de Neutrinos’’ do CERN. Estes detectores encheranse con miles de toneladas de argon líquido e serán refrixerados a temperaturas de -184ºC, co obxectivo de crear as condicións máis axeitadas para a detección dos neutrinos.

A outra parte clave do experimento sitúase no acelerador de Fermilab en Chicago (Illinois) a case 1.300 km de distancia das mencionadas cavernas. Desde aquí dispararanse feixes de neutrinos (os máis potentes creados ata agora), capaces de percorrer esta distancia (semellante á existente entre Santiago e Xenebra) a través da terra e as rochas, sen interaccionar con outras partículas. A poucos centos de metros do punto de produción, os detectores ‘cercanos’ de DUNE interceptan o feixe de neutrinos antes de iniciar a súa viaxe, permitindo rexistrar os posibles cambios nas súas características. Estas alteracións poderían axudar a explicar a asimetría entre materia e antimateria que hai no universo.

ND-GAr: Tecnoloxía do IGFAE para mellorar a detección dos neutrinos

Desde o IGFAE, un equipo liderado  polo profesor da USC e investigador do IGFAE Diego González Díaz forma parte da colaboración DUNE, que reúne a máis de 1.400 persoas e 200 institucións de 36 países. O seu grupo participa no deseño dun dos dous detectores ‘cercanos’, ND-GAr (Near Detector – Gaseous Argon), que se instalará nos vindeiros anos no Fermilab de Chicago, preto do punto de emisión do feixe de neutrinos.

O xigantesco detector consiste principalmente nunha cámara de proxección temporal (TPC) de 100m³, un tipo de detector que combina campos eléctricos e magnéticos con gases ricos en argón no caso de DUNE, permitindo así reconstruír a traxectoria das partículas producidas nas interaccións dos neutrinos.

Tecnoloxía do IGFAE para desenmascarar aos escorregadizos neutrinos

O equipo do IGFAE traballa nunha proposta baseada no uso de cámaras ópticas ultra-rápidas (2 mil-millonésimas de segundo por imaxe) a 10 atmósferas de presión en argón dopado con tetrafluorometano. A tecnoloxía, nunca antes empregada, permitirá rexistrar con precisión de milímetros as imáxenes das partículas procedentes da interacción dos neutrinos sobre unha rexión de 20 m², precisando o instante da súa interacción con pouco máis dunha mil-millonésima de segundo. IGFAE é o responsable principal do proxecto, en estreita colaboración coa Universidade de Vigo e o IFIC en Valencia.

Logo de que varios estudos incepcionais mostraran, nos últimos anos, a viabilidade conceptual e solidez da proposta, o equipo de traballo céntrase na actualidade en demostrar a operación estable a 10 atmósferas de presión e -25 ºC, da cámara de proxección temporal construída na Facultade de Física da USC. O obxectivo é mostrar a calidade de imaxe antes mencionada a unha escala duns 8000cm³, de modo que permita avanzar nos aspectos de deseño e integración do detector final. O equipo, fortemente multidisciplinar, combina o liderazgo do IGFAE no desenvolvemento de detectores de radiación gaseosos, coa experiencia de UVigo nas simulacións de fluido-dinámica (CFD) e deseño mecánico, así como a do IFIC en electrónica rápida e técnicas de simulación en física de neutrinos. O obxectivo é completar unha proposta técnica de deseño da TPC de ND-GAr a mediados do ano 2025.

O misterio dos fuxidíos neutrinos

Estas partículas, que atravesan o noso corpo trillóns de veces por segundo, son unha especie de pantasmas do mundo subatómico, cunha masa moi pequena e sen carga eléctrica. Por iso apenas interaccionan co resto de partículas elementais. Divídense en tres tipos (electrónicos, muónicos e tauónicos), e a súa identidade (ou ‘sabor’), vai mudando cando viaxan polo espazo.

Debido á súa natureza é moi complicado determinar directamente as súas propiedades, pero as colaboracións científicas como DUNE conseguiron desenvolver métodos indirectos para facelo. No caso do detector ND-GAr, no que participa o IGFAE, o obxectivo é rexistrar, coa maior precisión posible, as interaccións dos neutrinos antes de que estes muden de sabor na súa longa viaxe de 1.300 km ata o Laboratorio Subterráneo de Sanford.

Para xerar as mellores condicións posibles, deseñouse esta enorme infraestrutura que agora dá un novo paso. A partir de agora, o persoal da obra trasladará os compoñentes dos detectores distantes que conformarán DUNE, ao tempo que continúa a avanzar na construcción dos detectores ‘cercanos’. O obxectivo é que o experimento estea operativo antes do final do ano 2028.