El term¨®metro m¨¢s grande y preciso del mundo para estudiar la part¨ªcula m¨¢s misteriosa
Cient¨ªficos del IFIC desarrollan unos criostatos para el prototipo de detector de neutrinos del CERN con destino al proyecto DUNE
Saber de qu¨¦ est¨¢ compuesto el universo y aportar nuevas respuestas sobre su origen requiere experimentos a gran escala con infraestructuras descomunales. Una prueba es el Experimento de Neutrinos Subterr¨¢neo Profundo (DUNE), que albergar¨¢ en la pr¨®xima d¨¦cada un nuevo acelerador y dos nuevos detectores que utilizar¨¢ el haz de neutrinos --una misteriosa part¨ªcula fundamental capaz de oscilar entre tres estados diferentes de la materia y de pasar por el espacio vac¨ªo de los ¨¢tomos casi a la velocidad de la luz sin dejar rastro-- m¨¢s potente del mundo, en un trazado de 1.300 kil¨®metros por el subsuelo de Estados Unidos, a una profundad de 1,5 kil¨®metros de profundidad para evitar la interferencia de otras part¨ªculas m¨¢s pesadas.
Para comprobar el funcionamiento de la tecnolog¨ªa de semejante megaproyecto, en las instalaciones del CERN en Ginebra (Suiza), los investigadores trabajan en el prototipo ProtoDUNE, dos contenedores separados en forma de cubo de ocho metros de alto que contienen 800 toneladas de arg¨®n l¨ªquido, donde se sumergen unos detectores de part¨ªculas muy precisos capaces de ver en tres dimensiones el paso de las part¨ªculas cargadas que los atraviesan. Pero para que funcione, los grados del arg¨®n, un gas a temperatura ambiente que necesita mantenerse a -184?C en estado l¨ªquido, deben mantenerse a raya. Con la misi¨®n de asegurar que la temperatura sea homog¨¦nea, un equipo del Instituto de F¨ªsica Corpuscular (IFIC), Centro de Excelencia Severo Ochoa del CSIC y la Universitat de Val¨¨ncia, ha desarrollado el term¨®metro m¨¢s grande y preciso en el campo de la f¨ªsica de neutrinos: un criostato con un volumen interno de medio mill¨®n de litros.
Adem¨¢s de controlar que el arg¨®n se mantenga l¨ªquido, el correcto funcionamiento del detector exige que las variaciones de temperatura dentro del criostato est¨¦n por debajo de dos cent¨¦simas de grado, un reto que requiere un sistema muy preciso de medici¨®n de la temperatura. Con ese fin, una quincena de cient¨ªficos, ingenieros y t¨¦cnicos del IFIC han dise?ado una estructura de fibra de vidrio de casi ocho metros de largo en la que han insertado 48 sensores de platino para alcanzar una precisi¨®n de hasta tres mil¨¦simas de grado. Este sistema est¨¢ rodeado por una jaula de Faraday, que lo protege del campo el¨¦ctrico.
¡°Si hay grandes diferencias de temperatura, puede que el arg¨®n no recircule bien en el interior de la caja y quede estancado impidiendo que el detector funcione. Hay que asegurarse de que el arg¨®n se mueve correctamente dentro de la caja y que se purifique de la forma adecuada. La forma de saber c¨®mo evoluciona la temperatura en funci¨®n de la altura es con este term¨®metro que permite observar diferencias de tres mil¨¦simas, una resoluci¨®n diez veces mejor a lo que se necesita, ya que la diferencia que se requiere controlar es de 2 cent¨¦simas. Sin este term¨®metro ir¨ªamos a ciegas. Es el sistema que asegura el correcto funcionamiento del detector¡±, explica Anselmo Cervera, Cient¨ªfico Titular del CSIC en el IFIC y responsable del sistema de medici¨®n de temperatura de ProtoDUNE, que se instal¨® el pasado 27 de junio en el CERN.
Conocer el origen de la materia
Para estimar el alcance de este nuevo term¨®metro basta una comparaci¨®n. El sistema de criogenia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que distribuye helio superfluido a -271,3 ¡ãC por el anillo de acelerador para refrigerar los imanes superconductores, no requiere el nivel de precisi¨®n de los criostatos desarrollados por el IFIC. ¡°El arg¨®n l¨ªquido es una nueva tecnolog¨ªa que no se hab¨ªa dado nunca para el estudio de oscilaciones de neutrinos, con una precisi¨®n mucho mayor que los detectores que se utilizan en estos momento para ese tipo de f¨ªsica¡±, se?ala Cervera.
El detector final DUNE, en Estados Unidos, que pretende dar respuestas sobre el origen de la materia, supone el desarrollo de cuatro m¨®dulos detectores de carga con un tama?o veinte veces superior al prototipo reci¨¦n instalado ahora en el CERN, en cuyos sistemas de monitorizaci¨®n de temperatura tambi¨¦n trabajar¨¢ el equipo del IFIC para asumir el reto de construir un total de 24 term¨®metros de 16 metros de alto, una labor que comenzar¨¢ dentro de dos o tres a?os para que empiecen a tomar datos en 2026.
El IFIC tambi¨¦n trabaja en otras labores vinculadas al DUNE, como los estudios para medir la desintegraci¨®n del prot¨®n, el desarrollo de herramientas para el an¨¢lisis de datos y prototipos, el dise?o y la futura instalaci¨®n del sistema de detecci¨®n de luz de uno de los cuatro gran detectores del experimento, o la realizaci¨®n de simulaciones para determinar par¨¢metros a¨²n desconocidos como la posible diferencia de comportamiento entre neutrinos y antineutrinos, una informaci¨®n clave para entender por qu¨¦ el Universo est¨¢ hecho de materia y no de antimateria.
¡°Los detectores de neutrinos son muy grandes porque tratan de estudiar part¨ªculas que interaccionan muy poco. El problema de construir detectores tan enormes es que no suelen ser muy precisos. Es la primera vez que se desarrolla un detector de esta precisi¨®n a ese tama?o, y el term¨®metro hace que el detector funcione y permite aprender qu¨¦ cosas hay que mejorar para el detector final¡±, indica el responsable del term¨®metro de ProtoDUNE, que contribuye a la f¨ªsica que pretende desentra?ar las propiedades de los neutrinos. ¡°Intentamos buscar una simetr¨ªa entre materia y antimateria para poder explicar por qu¨¦ el Universo se decant¨® por la materia en lugar de por la antimateria. Lo m¨¢s importante es que este experimento tratar¨¢ de medir la simetr¨ªa entre ambas e intentar¨¢ explicar el origen del Universo¡±, concluye Cervera.
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