El personal encargado de la construcción del Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) ha finalizado la colosal excavación del espacio donde se ubicarán los detectores distantes (‘Far Detectors’) de este experimento, soterrado a 1.500 metros de profundidad en el Laboratorio Subterráneo de Sanford, en Dakota del Sur (Estados Unidos). Esta colaboración internacional en la que participa el IGFAE, centro mixto de la Universidad de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia, está desarrollando un experimento de gran magnitud para mejorar el conocimiento de los neutrinos. Estas huidizas partículas pueden dar respuesta a algunas de las preguntas clave en la conformación del Universo, como el predominio de la materia sobre la antimateria, el proceso de creación de los agujeros negros o el vínculo entre la materia oscura y los propios neutrinos.
1.500 metros bajo el suelo, 800.000 toneladas de rocas
El Fermilab, laboratorio nacional de aceleradores del Departamento de Energía de EE. UU., anunció este jueves la finalización de los trabajos, que han supuesto la excavación de 800.000 toneladas de rocas, hasta llegar a los 1.500 metros de profundidad. En estas cavernas comenzarán a instalarse, a finales de año, los detectores de neutrinos distantes de DUNE, en una superficie semejante a la de ocho campos de fútbol, una vez verificados sus principios técnicos de funcionamiento en la ‘Plataforma de Neutrinos’’ del CERN. Estos detectores se llenarán con miles de toneladas de argón líquido y serán refrigerados a temperaturas de -184ºC, con el objetivo de crear las condiciones más idóneas para la detección de los neutrinos.
La otra parte clave del experimento se sitúa en el acelerador de Fermilab en Chicago (Illinois) a casi 1.300 km de distancia de las mencionadas cavernas. Desde aquí se dispararán haces de neutrinos (los más potentes creados hasta ahora), capaces de recorrer esta distancia (semejante a la existente entre Santiago y Ginebra) a través de la tierra y las rocas, sin interaccionar con otras partículas. A unos cientos de metros del punto de producción, los detectores ‘cercanos’ de DUNE interceptan el haz de neutrinos antes de iniciar su viaje, permitiendo registrar los posibles cambios en sus características. Estas alteraciones podrían ayudar a explicar la asimetría entre materia y antimateria que hay en el universo.
ND-GAr: Tecnología del IGFAE para mejorar la detección de los neutrinos
Desde el IGFAE, un equipo liderado por el profesor de la USC e investigador del IGFAE Diego González Díaz forma parte de la colaboración DUNE, que reúne a más de 1.400 personas y 200 instituciones de 36 países. Su grupo participa en el diseño de uno de los dos detectores ‘cercanos’, ND-GAr (Near Detector – Gaseous Argón), que se instalará en los próximos años en el Fermilab de Chicago, cerca del punto de emisión del haz de neutrinos.
El gigantesco detector consiste principalmente en una cámara de proyección temporal (TPC) de 100m3, un tipo de detector que combina campos eléctricos y magnéticos con gases ricos en argón en el caso de DUNE, permitiendo así reconstruir la trayectoria de las partículas producidas en las interacciones de los neutrinos.
El equipo del IGFAE trabaja en una propuesta basada en el uso de cámaras ópticas ultrarrápidas (2 milmillonésimas de segundo por imagen) a 10 atmósferas de presión en argón dopado con tetrafluorometano. La tecnología, nunca empleada anteriormente, permitirá registrar con precisión de milímetros las imágenes de las partículas procedentes de la interacción de los neutrinos sobre una región de 20 m2, precisando el instante de su interacción con poco más de una milmillonésima de segundo. IGFAE es el responsable principal del proyecto, en estrecha colaboración con la Universidad de Vigo y el IFIC en Valencia.
Después de que varios estudios hubiesen mostrado, en los últimos años, la viabilidad conceptual y solidez de la propuesta, el equipo de trabajo se centra en la actualidad en demostrar la operación estable a 10 atmósferas de presión y -25 ºC, de la cámara de proyección temporal construida en la Facultad de Física de la USC. El objetivo es mostrar la calidad de imagen antes mencionada la una escala de unos 8000cm3, de modo que permita avanzar en los aspectos de diseño e integración del detector final. El equipo, fuertemente multidisciplinar, combina el liderazgo del IGFAE en el desarrollo de detectores de radiación gaseosos, con la experiencia de UVigo en las simulaciones de fluido-dinámica (CFD) y diseño mecánico, así como la del IFIC en electrónica rápida y técnicas de simulación en física de neutrinos. El objetivo es completar una propuesta técnica de diseño de la TPC de ND-GAr a mediados del año 2025.
El misterio de los huidizos neutrinos
Estas partículas, que atraviesan nuestro cuerpo trillones de veces por segundo, son una especie de fantasmas del mundo subatómico, con una masa muy pequeña y sin carga eléctrica. Por eso apenas interaccionan con el resto de las partículas elementales. Se dividen en tres tipos (electrónicos, muónicos y tauónicos), y su identidad (o ‘sabor’), va cambiando cuándo viajan por el espacio.
Debido a su naturaleza, es muy complicado determinar directamente sus propiedades, pero las colaboraciones científicas como DUNE han conseguido desarrollar métodos indirectos para hacerlo. En el caso del detector ND-GAr, en el que participa el IGFAE, el objetivo es registrar, con la mayor precisión posible, las interacciones de los neutrinos antes de que estos cambien de sabor en su largo viaje de 1.300 km hasta el Laboratorio Subterráneo de Sanford.
Para generar las mejores condiciones posibles, se ha diseñado esta enorme infraestructura que ahora da un nuevo paso. A partir de la finalización de la excavación, el personal de la obra trasladará los componentes de los detectores distantes que conformarán DUNE, al tiempo que continúa a avanzar en la construcción de los detectores ‘cercanos’. El objetivo es que el experimento esté operativo antes del final del año 2028.
