CONNIE, el experimento con antineutrinos en la frontera de la física

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experimento CONNIE
Desde la creación del experimento en 2012, la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asuncion tuvo una importante participación tanto en la concepción del experimento como en las simulaciones necesarias para estudiar su viabilidad. (ArXiv)
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Por Dr. Jorge Molina*

El Modelo Estándar de la Física de Partículas es una teoría que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas y el comportamiento de las partículas elementales que componen toda la materia del universo.

Desarrollada durante los años 70, es consistente con la Relatividad Especial de Einstein y con la Mecánica Cuántica, pero no alcanza a ser una teoría completa debido a que no incluye a la gravedad ni tampoco predice la hipotética partícula de materia oscura, ni tampoco contempla a la energía oscura.

Hasta el momento es la teoría más precisa conocida en la física, cuyas predicciones han sido verificadas experimentalmente, y se la considera una de las creaciones más relevantes del intelecto humano.

Entre las predicciones del modelo estándar existe un proceso llamado “dispersión coherente del neutrino con el núcleo” (o CEνNS en la jerga de la física de partículas), donde el neutrino (o antineutrino) que se aproxima a un núcleo atómico intercambia información con éste, desviando su trayectoria.

Para que el proceso sea coherente (que implica que el núcleo no se rompa, sino que solo retroceda al recibir la energía del neutrino), la energía del neutrino incidente debe ser menor a 50 Mega electrón Voltios (MeV)1 aproximadamente. Si la energía es mayor, los neutrinos van a interactuar con los quarks que componen a los neutrones y protones, lo que ocasionará que el núcleo se rompa y se creen nuevas partículas.

En agosto de 2017, el experimento COHERENT consiguió observar este proceso por primera vez con neutrinos generados en aceleradores de partículas [1]. Sin embargo, con la tecnología utilizada por los detectores de este experimento solo se pueden captar neutrinos con energías superiores a decenas de MeV, mientras que en los reactores nucleares se producen antineutrinos con energías de hasta 12 MeV aproximadamente [2].

El retroceso nuclear y los detectores CCD

Para observar a los neutrinos a través de la dispersión coherente se necesita un detector que pueda distinguir al proceso conocido como retroceso nuclear, donde el neutrino intercambia un bosón Z con el núcleo del átomo que compone el detector.

Figura 1. Esquema de dispersión coherente de neutrinos con el núcleo. El bosón Z intercambiado hará que el núcleo retroceda, y a su paso arrancará a los electrones de los núcleos circundantes

Como resultado de este intercambio, el núcleo retrocede y a su paso expulsa a los electrones de los átomos vecinos, como se muestra en la Figura 1. Estos electrones eyectados son los que  proporcionarán la información de cuánta energía fue depositada por el neutrino al colisionar con el núcleo.

A medida que la energía intercambiada decrezca, la cantidad de electrones arrancados disminuirá, y, por lo tanto, se necesitará que el sistema experimental no introduzca casi ningún ruido electrónico posible, de otra manera no se distinguirán a los electrones generados por el retroceso nuclear de los del ruido.

Los CCD (Charge Coupled Devices o dispositivos de carga acoplada) son detectores de silicio que pueden detectar el retroceso nuclear ocasionado por neutrinos con bajas energías debido a que poseen dos características fundamentales: bajo ruido electrónico y masa relativamente alta.

La combinación de estas dos propiedades permite la construcción de un experimento para observar la colisión coherente de neutrinos con una considerable cantidad de masa y ruido electrónico casi nulo [2].

La gran ventaja que poseen estos detectores es que están divididos en pequeños volúmenes llamados píxeles y cada uno de ellos posee un potencial electrostático donde se almacenarán los huecos de los electrones generados como consecuencia del retroceso nuclear.

La Figura 2 muestra el proceso de generación y recolección de un evento producido por este mecanismo. El campo eléctrico externo empujará a los electrones arrancados por el núcleo y los potenciales ubicados en los extremos del CCD los mantendrán hasta que el sistema de lectura transfiera las cargas generadas hasta el amplificador de salida que enviará las señales para generar las imágenes a ser analizadas posteriormente.

El proceso de lectura solo introduce dos electrones de ruido, por lo que el umbral de detección para los retrocesos nucleares es bien bajo, permitiendo así detectar a los neutrinos de unos pocos MeV de energía, como los generados en los reactores nucleares.

Figura 2. Esquema del sistema de detección del antineutrino a través del proceso de retroceso nuclear en un pixel en particular del detector CCD.

La dificultad en la detección de este tipo de eventos consiste en que también existen otras fuentes de partículas impactan en el detector y que, por lo tanto, confundirán la detección del antineutrino. A este tipo de eventos se les denomina background y pueden provenir de varias fuentes, siendo las principales la radioactividad ambiental presente en todos los lugares de la tierra, los rayos cósmicos que están llegando del espacio en todo momento y también de la contaminación radiactiva de los materiales que forman al sistema experimental.

A fin de eliminar los eventos de radioactividad natural se construyen blindajes con diferentes materiales como plomo, polietileno y cobre, que ayudarán a bloquear las distintas partículas del fondo radioactivo ambiental. Estos blindajes conseguen parar a los rayos gammas presentes en la superficie terrestre, pero no van frenan a los muones producidos en la estratosfera y que atraviesan la Tierra constantemente a un flujo de un muon por minuto por cada centímetro cuadrado.

Estos muones dejan trazas en el detector que son de fácil distinción, por lo que en sí no representan un problema. Sin embargo, las cosas se complican cuando éstos interactúan con los distintos componentes del blindaje del detector y producen otras partículas de menor energía que se confunden con las señales generadas por los neutrinos.

Por este motivo es fundamental reconocer las señales producidas por los distintos tipos de partículas que componen el background, sean naturales o producidas por los rayos cósmicos, para separarlas de los datos generados por los neutrinos.

El experimento CONNIE

Figura 3. a) Tráiler donde está instalado el sistema experimental dentro del complejo nuclear Almirante Álvaro Alberto en Angra dos Reis. b) Castillo de protección con los distintos componentes del sistema experimental de los detectores de CCD.

El experimento CONNIE (llamado así por sus siglas en inglés de Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment), del cual la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción (FIUNA) participa como miembro fundador, busca detectar los antineutrinos generados en el reactor nuclear de Angra 2, situado en la planta Almirante Álvaro Alberto en Angra dos Reis, Brasil.

La Figura 3(a) muestra la localización del tráiler donde está instalado el sistema experimental. La figura 3(b) muestra el blindaje que protege a los CCD, que consiste de una capa externa de polietileno de 30 cm de espesor, 4 hileras de ladrillos de plomo que forman una capa de 15 cm de espesor, otra capa de 30 cm de polietileno, y el recipiente cilíndrico de cobre que sirve para mantener el vacío. Dentro del este cilindro está instalada la caja de cobre que contiene a los detectores, como muestra la figura 4.

La primera etapa del experimento se realizó desde octubre de 2014 hasta julio de 2016, donde se utilizaron solo 2 g de detector. En esta primera fase se estudiaron la operación, la viabilidad y también el fondo radioactivo que deben enfrentar los CCD al estar expuestos tanto a rayos cósmicos como a la radiactividad natural [3].

Para la segunda fase del experimento, se incorporaron más detectores hasta alcanzar un total de 80 g. Actualmente se continúa tomando datos con esta configuración hasta finales de año, cuando se espera hacer otra actualización para incorporar más detectores a fin de aumentar la masa, y por ende, la probabilidad de interacción de los antineutrinos con los detectores.

Figura 4. Sistema de detección de datos del experimento CONNIE. Arriba a la izquierda se muestra un CCD de 16 millones de pixeles de 5.8 g. Abajo a la izquierda se muestra la caja con 14 CCDs instalados con los que se están tomando datos actualmente. A la derecha se muestra el interior del cilindro de cobre donde se observa la caja de CCDs y otro bloque de plomo para proteger más a los detectores se mantienen a los detectores a una temperatura de -205 °C.

Participación de la FIUNA

Desde la creación del experimento en 2012, la FIUNA tuvo una importante participación tanto en la concepción del experimento como en las simulaciones necesarias para estudiar su viabilidad.

El respaldo teórico dado por la concordancia entre las simulaciones computacionales y los datos obtenidos es determinante para entender lo que se registra en los detectores.

Un ejemplo de aplicación de esta herramienta consiste en la identificación de la procedencia de las altas tasas de ruido de fondo captado por los detectores, a pesar de estar bien cubiertos por distintos tipos de blindajes como se mostró en la Fig. 3(b).

La figura 5 muestra el espectro de energía obtenido para los datos superpuestos con las simulaciones. La concordancia entre ambas gráficas solo se puede obtener si existe una contaminación intrínseca de rayos gamma provenientes de los ladrillos plomo.

Figura 5. Datos obtenidos por un CCD en el experimento CONNIE superpuesto con los resultados proporcionados por las simulaciones realizadas a través del programa Geant4. A través de la comparación se puede entender las distintas componentes del ruido de fondo capturado por los detectores.

Además del aporte en las simulaciones y el análisis físico del problema, la FIUNA también colabora en el desarrollo de la electrónica de la lectura de los CCD. Dos estudiantes de la maestría en Ingeniería Electrónica de la FIUNA realizaron sus tesis en el desarrollo del nuevo sistema de lectura que permitirá leer en simultáneo múltiples CCD, aumentando así la cantidad de detectores a ser instalados en la próxima actualización.

Importancia y aplicaciones

Entender el proceso de dispersión coherente de neutrinos es importante por dos motivos:

  1. Aplicaciones en la industria nuclear. Si se pudiera detectar a los antineutrinos provenientes de los reactores nucleares se podría monitorear su actividad, lo que permitiría saber si el reactor está siendo utilizado para la fabricación de armamento nuclear sin necesidad de entrar a las instalaciones para verificar este procedimiento.
  2. Contribuciones a la ciencia contemporánea. El estudio de este tipo de interacciones servirá para entender procesos relacionados en distintas áreas de la física, como por ejemplo:
    1. Astrofísica: en procesos de transporte de neutrinos en la creación de supernovas
    2. En física de partículas: la detección de la dispersión coherente abriría una ventana nueva para el estudio de las oscilaciones de neutrinos y para el estudio de neutrinos estériles
    3. En la búsqueda de la materia oscura: las señales capturadas por los detectores debido a la dispersión coherente representan el límite a los cuales llegarán los experimentos de detección directa de materia oscura, ya que a partir de cierto punto solo observarán los neutrinos que provienen del Sol y no las partículas de materia oscura (a esto se le llama neutrino floor).

Cabe resaltar que si bien la observación del proceso de dispersión coherente por el experimento COHERENT consiguió demostrar otra predicción del modelo estándar de la física de partículas, aún existen ciertas regiones del espectro de energía no contempladas por este modelo. La observación de este mismo proceso en esas regiones de bajas energías indicaría una nueva física que va más allá del este consagrado modelo.

Lo más fascinante es que todas estas contribuciones pueden ser confirmadas por CONNIE, lo que da un alcance importantísimo a este experimento, que ya fue destacado por la revista Science como uno de los hitos científicos del año 2017.

Sin duda alguna desde la FIUNA estamos orgullosos de representar al país ante un experimento de tamaña trascendencia.


  1. La unidad de medida de MeV corresponde a 1 millón de electrón-voltios, donde un electrón-voltio se define como la variación de energía cinética que experimenta un electrón al atravesar el campo eléctrico de un voltio.

Referencias

[1] J. Collar et al., Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering, COHERENT collaboration.

[2] Fernandez-Moroni G. et al., Charge Coupled Devices for detection of coherent neutrino-nucleus scattering, Phys. Rev. D 91, 072001 (2015).

[3] Aguilar Arevalo et al., “Results of the engineering run of the Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment (CONNIE)”, Journal of Instrumentation, Vol. 11, July 2016.

 

El Dr. Jorge Molina es físico de partículas elementales y Docente Investigador con Dedicación Completa (Didcom) de la Universidad Nacional de Asunción (UNA).

 

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3 Comentarios

  1. Que grande Jorge!! Estás demostrando de que se puede aportar de manera sustancial desde sitios tan perisfericos como Paraguay a pesar de las limitaciones que tendrán de equipos e infraestructura. La mente humana no tiene límites y ahí yace el verdadero poder. Llegar a comprender como funciona el universo y las energías es un paso gigantesco. La más grande y poderosa es la que llevamos dentro de nosotros mismos. Que grande Jorge! Sos un verdadero ejemplo ! Porque puede el que cree que puede!

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