Los científicos que trabajan en el detector cercano de línea de base corta en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi han detectado la primera interacción de neutrinos del detector.
Una exposición candidata a interacción muón-neutrino observada por el detector cerca de la línea de base corta. Cuando un neutrino ingresa al SBND e interactúa con un núcleo de argón, crea una pulverización de partículas cargadas que el detector registra. Luego, los físicos pueden trabajar a partir de las partículas secundarias donde interactuó el neutrino. Crédito: colaboración SBND
La colaboración SBND ha estado planificando, creando prototipos y construyendo el detector durante casi una década. Y, después de un proceso de meses de ajustar cuidadosamente cada subsistema detector, finalmente llegó el momento que todos habían estado esperando.
«No todos los días un detector ve sus primeros neutrinos», dijo David Schmitz, coportavoz de la colaboración SBND y profesor asociado de física en la Universidad de Chicago. «Hemos pasado años trabajando en este momento y estos primeros datos son un comienzo muy emocionante para nuestra exploración de nueva física».
SBND es el elemento final para completar el programa Short Baseline Neutrino (SBN) de Fermilab y desempeñará un papel importante en la resolución de un misterio de décadas de antigüedad en la física de partículas. Lograr el SBND ha sido un esfuerzo internacional en este momento. El detector fue desarrollado gracias a una colaboración internacional de 250 físicos e ingenieros de Brasil, España, Suiza, Gran Bretaña y Estados Unidos.
El Modelo Estándar es la mejor teoría de cómo funciona el universo en su nivel más básico. Es el estándar de oro que utilizan los físicos de partículas para calcular todo, desde colisiones de partículas de alta intensidad hasta perturbaciones muy raras en la aceleración de partículas. Pero a pesar de ser una teoría bien probada, el Modelo Estándar está incompleto. Y en los últimos 30 años, muchos experimentos han observado anomalías que pueden indicar la existencia de un nuevo tipo de neutrino.
Los neutrinos son la segunda partícula más masiva del universo. A pesar de su abundancia, son increíblemente difíciles de estudiar porque sólo interactúan a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil, lo que significa que casi nunca aparecen en un detector.
Los neutrinos vienen en tres tipos o sabores: muón, electrón y tau. Quizás lo más extraño de estas partículas es que cambian entre estos sabores, desde muones hasta electrones y tau.
Los científicos tienen una buena estimación de cuántos de cada tipo de neutrino debería haber a diferentes distancias de la fuente de neutrinos. Sin embargo, las observaciones de algunos experimentos previos con neutrinos contradecían estas predicciones.
Nuestra comprensión actual de los neutrinos predice que la cantidad y el tipo de neutrinos detectados en los puntos A y B deberían ser los mismos. Sin embargo, varios experimentos con neutrinos han mostrado anomalías en el número y tipo de neutrinos a la misma distancia del punto B. Para detectarlo se colocan un detector de proximidad de línea de base corta y otro detector llamado ICARUS en el punto A y en el punto B, respectivamente. Tales oscilaciones no estándar. Crédito: Samantha Koch, Firmlab.
«Esto podría significar que hay más de los tres sabores de neutrinos conocidos», explicó la científica del Fermilab Ann Shawcroft. “A diferencia de los tres tipos conocidos de neutrinos, este nuevo tipo de neutrino no interactuará a través de la fuerza débil. La única manera de verlos es si el número de muones, electrones y neutrones tau no aumenta como debería.
El Programa de Neutrinos de Línea de Base Corta del Fermilab buscará oscilaciones de neutrinos y buscará evidencia que pueda apuntar a este cuarto neutrino. SBND es el detector cercano del Programa de neutrinos de línea de base corta, mientras que ICARUS, que comenzó a recopilar datos en 2021, es el detector lejano. Un tercer detector llamado MicroBooNE completó el registro de colisiones de partículas con la misma línea de luz de neutrinos el mismo año.
El detector cercano de línea de base corta y el programa de neutrinos de línea de base corta de ICARUS son los detectores cercanos y lejanos, respectivamente. Crédito: Fermilab
El programa de neutrinos de línea de base corta difiere de las mediciones de línea de base corta anteriores realizadas en Fermilab de neutrinos generados por aceleradores porque cuenta con un detector cercano y un detector lejano. SBND medirá los neutrinos a medida que se producen en el haz del Fermilab e ICARUS medirá los neutrinos después de que presumiblemente se hayan movido. Así, mientras que en experimentos anteriores se tuvo que hacer suposiciones sobre la composición real del haz de neutrinos, el programa SBN lo sabrá con certeza.
«Comprender las anomalías observadas en experimentos anteriores ha sido un objetivo importante en este campo durante los últimos 25 años», dijo Schmitz. «Juntos, SBND e ICARUS tendrán una capacidad asombrosa para probar la existencia de estos nuevos neutrinos».
Más allá de la búsqueda de nuevos neutrinos
Además de encontrar el cuarto neutrino con ICARUS, SBND tiene su propio programa de física interesante.
Debido a que está situado tan cerca del haz de neutrinos, el SBND observará 7.000 interacciones por día, más neutrinos que cualquier otro detector de su tipo. La gran muestra de datos permitirá a los investigadores estudiar las interacciones de los neutrinos con una precisión sin precedentes. La física de estas interacciones es un elemento clave de experimentos futuros que utilizarán argón líquido para detectar neutrinos, como el Experimento de neutrinos subterráneos profundos de larga duración, conocido como DUNE.
Cada vez que un neutrino golpea el núcleo de un átomo, la interacción envía una pulverización de partículas a través del detector. Los físicos necesitan todas las partículas producidas durante esta interacción, tanto visibles como invisibles, para inferir las propiedades de los neutrinos fantasma.
Pero el SBND, como muchos experimentos modernos con neutrinos, utiliza argón para atrapar neutrinos. El núcleo de un átomo de argón contiene 40 nucleones, lo que hace que la interacción con el argón sea más compleja y difícil de entender.
«Recopilaremos 10 veces más datos sobre cómo interactúan los neutrinos con el argón que en todos los experimentos anteriores», dijo Ornella Palamara, científica del Fermilab y coportavoz del SBND. «Por lo tanto, el análisis que hagamos también será muy importante para DUNE».
Pero los científicos del SBND no serán las únicas partículas que observarán los neutrinos. Con el detector ubicado tan cerca del haz de partículas, es posible que la colaboración pueda ver otras sorpresas.
«Puede haber objetos, fuera del modelo estándar, que no tengan nada que ver con los neutrinos, sino que se produzcan como un subproducto del haz, que debería ser detectable», dijo Schukraft.
Una gran pregunta para la que el modelo estándar no tiene respuesta es la materia oscura. Aunque el SBND sólo será sensible a partículas ligeras, estas partículas ópticas pueden proporcionar la primera visión de un «sector oscuro».
«Hasta ahora no se ha hecho nada en la búsqueda de partículas masivas ‘directas’ de materia oscura», dijo Andrzej Silek, coordinador de física del SBND y profesor de la Universidad de Edimburgo. «Los teóricos han desarrollado toda una serie de modelos del sector oscuro de las partículas ligeras y oscuras que se pueden producir en los haces de neutrinos, y el SBND podrá comprobar si estos modelos son correctos.
La colaboración del Short Baseline Neutrino Detector celebró el momento en que el detector comenzó a funcionar al 100% de voltaje. Crédito: Dan Svoboda, Fermilab
Estas firmas de neutrinos son sólo el comienzo de SBND. La colaboración continuará operando el detector y analizando los millones de interacciones de neutrinos recopiladas durante los próximos años.
«Ver estos primeros neutrinos es el comienzo de un largo proceso en el que hemos estado trabajando durante años», dijo Palmara. «Este momento es el comienzo de una nueva era para la cooperación».
La colaboración internacional de detectores cercanos de línea de base corta está organizada por el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. La colaboración consta de 38 instituciones asociadas, incluidos laboratorios nacionales y universidades de cinco países. SBND es uno de los dos detectores de partículas del Programa de Neutrinos de Línea de Base Corta que proporciona información sobre el haz de neutrinos producido por el acelerador de partículas del Fermilab.
El Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más importantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite ciencia.energia.gov.
