Cada segundo, billones de neutrinos viajan a través de su cuerpo sin ser notados. Los neutrinos se encuentran entre las partículas más abundantes en el universo, pero son difíciles de estudiar porque rara vez interactúan con la materia. Para encontrar rastros de estas elusivas partículas, investigadores de Caltechhan colaborado con otras 39 instituciones para construir un detector de 14.000 toneladas del tamaño de dos canchas de baloncesto llamado NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance, o NOvA. El experimento, ubicado en el norte de Minnesota, comenzó a funcionar plenamente en noviembre de 2014 y publicó sus primeros resultados.en Cartas de revisión física este mes.
El experimento tiene como objetivo observar las oscilaciones de neutrinos, o la conversión de un tipo de neutrino en otro, para aprender sobre la composición subatómica del universo. Hay tres tipos diferentes, o "sabores", de neutrinos: muón., tau y de tipo electrónico. El experimento NOvA ha detectado con éxito la transformación de neutrinos de tipo muón en neutrinos de tipo electrónico. Descubrir más sobre la frecuencia y naturaleza de las oscilaciones de neutrinos es un paso importante para determinar las masas de diferentestipos de neutrinos, un componente desconocido crucial en cada modelo cosmológico del universo.
Aunque los neutrinos rara vez interactúan con la materia, uno de cada 10 mil millones de neutrinos que pasa a través del detector interactuará con un átomo en el detector. Para observar estas colisiones, un rayo de neutrinos a 500 millas de distancia en Fermilab en Chicago se dispara cada 1.3 segundosen una ráfaga de 10 microsegundos en el detector. El detector está compuesto por 344.000 células, cada una como un píxel en una cámara y cada una llena con un centelleador líquido, una sustancia química que emite luz cuando las partículas cargadas eléctricamente lo atraviesan. Cuando un neutrinose estrella contra un átomo de este líquido, un evento que se estima que ocurre una vez por cada 10 mil millones de neutrinos que lo atraviesan, produce un rociado distintivo de partículas, como electrones, muones o protones. Cuando estas partículas pasan a través de una célula,Los productos químicos fluorescentes iluminan la célula, lo que permite a los científicos seguir el camino de las partículas de la colisión.
"Cada tipo de neutrino deja una firma particular cuando interactúa en el detector", dice Ryan Patterson BS '00, profesor asistente de física y líder del equipo de análisis de datos de NOvA. "Fermilab produce una corriente de casiexclusivamente neutrinos de tipo muón. Si uno de estos golpea algo en nuestro detector, veremos las firmas de una partícula llamada muón. Sin embargo, si un neutrino de tipo electrónico interactúa en nuestro detector, vemos las firmas de un electrón ".
Debido a que el haz de neutrinos proveniente del Fermilab está diseñado para producir casi en su totalidad neutrinos de tipo muón, existe una alta probabilidad de que cualquier firma de neutrinos de tipo electrónico provenga de un neutrino de tipo muón que haya sufrido una oscilación transformadora.
Los investigadores estimaron que si no se produjeran oscilaciones, se habrían medido 201 neutrinos de tipo muón durante el período inicial de toma de datos, que terminó en mayo de 2015. Pero durante esta primera serie de recopilación de datos, NOvA vio las firmas de solo 33neutrinos de tipo muón, lo que sugiere que los neutrinos de tipo muón estaban desapareciendo porque algunos habían cambiado de tipo. El detector también midió seis neutrinos de tipo electrónico, cuando solo se esperaría uno de este tipo si no se produjeran oscilaciones.
"Vemos una gran tasa de esta transición, mucho más alta de lo necesario, dado nuestro conocimiento actual", dice Patterson. "Estos datos iniciales ya nos están dando pistas interesantes sobre el espectro de masas de neutrinos".
El equipo de Caltech NOvA dirigió la investigación y el desarrollo de los elementos del detector. El objetivo era hacer que cada celda del detector fuera lo suficientemente sensible como para identificar las señales de partículas débiles sobre el ruido de fondo. El equipo diseñó los elementos del detector individuales para operar a -15 grados Celsiuspara mantener el ruido vibraciones aberrantes y otras señales en los datos al mínimo, y también construyó estructuras para eliminar la condensación que puede ocurrir a temperaturas tan bajas. Para el final de la construcción en 2014, los 12.000 conjuntos de detectores, cada uno de32 celdas, se habían construido en Caltech.
"La resolución espacial en un detector de este tamaño no tiene precedentes", dice Patterson. "Todo el detector es altamente 'activo', lo que significa que la mayor parte es realmente capaz de detectar partículas. Hemos tratado de minimizar la cantidadde material 'muerto', como estructuras de soporte. Además, aunque los diferentes tipos de neutrinos dejan diferentes firmas, estas firmas pueden tener un aspecto similar, por lo que necesitamos tanto poder de discriminación como podamos obtener ".
Descubrir más sobre la naturaleza de las oscilaciones de neutrinos brinda información importante sobre el mundo subatómico y la evolución del universo.
"Sabemos que dos de los neutrinos son similares en masa, y que un tercero tiene una masa bastante diferente de los otros dos. Pero todavía no sabemos si esta masa separada es mayor o menor que los otros dos", PattersonA través del estudio preciso de las oscilaciones de neutrinos con NOvA, los investigadores esperan resolver este misterio de ordenamiento de masas. "El ordenamiento de masas de neutrinos tiene conexiones en toda la física, desde el crecimiento de la estructura en el universo hasta el comportamiento de partículas a energías inaccesibles".dice, con NOvA único entre los experimentos operativos debido a su sensibilidad a este orden masivo.
En el futuro, los investigadores de NOvA planean determinar si los antineutrinos oscilan al mismo ritmo que los neutrinos, es decir, para ver si los neutrinos y los antineutrinos se comportan simétricamente. Si NOvA descubre que no lo hacen, este descubrimiento podría, a su vez,ayudar a revelar por qué hoy la cantidad de materia en el universo es mucho mayor que la cantidad de antimateria, mientras que en el universo temprano, las proporciones de las dos estaban equilibradas.
"Estos primeros resultados demuestran que NOvA funciona maravillosamente y que tenemos un rico programa de física por delante", dice Patterson.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Lori Dajose. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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