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Coordenadas : 48°22′45″N 92°50′1″W / 48.37917°N 92.83361°W / 48.37917; -92.83361 Comparación de los detectores NO ν A de corto y largo alcance con el tamaño de un Airbus A380. E...

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Coordenadas : 48°22′45″N 92°50′1″W / 48.37917°N 92.83361°W / 48.37917; -92.83361

Comparación de los detectores NO ν A de corto y largo alcance con el tamaño de un Airbus A380.

El experimento NO ν A ( NuMI Off-Axis ν e Appearance) es un experimento de física de partículas diseñado para detectar neutrinos en el haz NuMI (Neutrinos at the Main Injector) de Fermilab . Concebido como sucesor de MINOS , NO ν A consta de dos detectores, uno en Fermilab (el detector cercano ) y otro en el norte de Minnesota (el detector lejano ). Los neutrinos de NuMI atraviesan 810 km de la Tierra para llegar al detector lejano. El objetivo principal de NO ν A es observar la oscilación de neutrinos muónicos a neutrinos electrónicos. Los objetivos físicos primarios de NOvA son: [ 1 ] 

Objetivos de física

Objetivos principales

La oscilación de neutrinos se parametriza mediante la matriz PMNS y las diferencias al cuadrado de las masas entre los autoestados de masa de los neutrinos . Suponiendo que tres sabores de neutrinos participan en la mezcla de neutrinos, existen seis variables que afectan a la oscilación de neutrinos: los tres ángulos θ₁₂, θ₂₃ y θ₁₃ , una fase de violación de CP δ y dos cualesquiera de las tres diferencias al cuadrado de las masas. Actualmente no existe ninguna razón teórica convincente para esperar un valor particular, o una relación entre, estos parámetros.

Se ha medido que θ 23 y θ 12 son distintos de cero en varios experimentos, pero la búsqueda más sensible de θ 13 distinto de cero realizada por la colaboración Chooz solo arrojó un límite superior. En 2012, se midió que θ 13 era distinto de cero en Daya Bay con una significancia estadística de 5,2 σ . [ 2 ] Al año siguiente, T2K descubrió la transición νμ→νmi {\displaystyle \ \nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}\ }excluyendo la hipótesis de no aparición con una significancia de 7,3 σ . [ 3 ] No se ha realizado ninguna medición de δ . Se conocen los valores absolutos de dos diferencias de masa al cuadrado, pero debido a que una es muy pequeña en comparación con la otra, no se ha determinado el orden de las masas.

Probabilidades de oscilación, ignorando los efectos de la materia y suponiendo que θ 13 está cerca del límite actual. NO ν A observará el primer pico.

NO ν A es un orden de magnitud más sensible a θ 13 que la generación anterior de experimentos, como MINOS . Lo medirá buscando la transiciónνμ→νmi{\displaystyle \nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}}en el haz NuMI de Fermilab. Si NO ν A permite resolver un valor distinto de cero de θ 13 , será posible obtener mediciones de δ y el ordenamiento de masas observando también ν¯μ→ν¯mi .{\displaystyle \ {\bar {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\bar {\nu }}_{e}~.}El parámetro δ se puede medir porque modifica las probabilidades de oscilación de manera diferente para neutrinos y antineutrinos. De manera similar, el orden de masas se puede determinar porque los neutrinos pasan a través de la Tierra, lo que, mediante el efecto MSW , modifica las probabilidades de oscilación de manera diferente para neutrinos y antineutrinos. [ 4 ]

Importancia

Las masas y los ángulos de mezcla de los neutrinos son, hasta donde sabemos, constantes fundamentales del universo. Medirlos es un requisito básico para nuestra comprensión de la física. Conocer el valor del parámetro de violación de CP δ nos ayudará a comprender por qué el universo presenta una asimetría materia-antimateria . Además, según la teoría del mecanismo de balancín , las masas muy pequeñas de los neutrinos podrían estar relacionadas con masas muy grandes de partículas que aún no podemos estudiar directamente con la tecnología necesaria. Por lo tanto, las mediciones de neutrinos constituyen una forma indirecta de estudiar la física a energías extremadamente altas. [ 4 ]

En nuestra teoría física actual, no hay razón para que los ángulos de mezcla de neutrinos tengan valores particulares. Sin embargo, de los tres ángulos de mezcla de neutrinos, solo θ 12 no se ha determinado como máximo ni mínimo. Si las mediciones de NO ν A y otros experimentos futuros siguen mostrando θ 23 como máximo y θ 13 como mínimo, esto podría sugerir alguna simetría de la naturaleza aún desconocida. [ 4 ]

Relación con otros experimentos

El experimento NOνA tiene el potencial de resolver la jerarquía de masas , ya que opera a una energía relativamente alta. De los experimentos actualmente en marcha, es el que ofrece el mayor alcance para realizar esta medición de forma inequívoca, con la menor dependencia del valor de δ . Muchos experimentos futuros que busquen realizar mediciones precisas de las propiedades de los neutrinos se basarán en la medición de NOνA para saber cómo configurar sus aparatos para obtener la máxima precisión y cómo interpretar sus resultados.

Un experimento similar a NO ν A es T2K , un experimento de haz de neutrinos en Japón similar a NO ν A. Al igual que NO ν A, está diseñado para medir θ 13 y δ . Tendrá una  línea de base de 295 km y utilizará neutrinos de menor energía que NO ν A, alrededor de 0,6  GeV. Dado que los efectos de la materia son menos pronunciados tanto a energías más bajas como a líneas de base más cortas, no puede resolver el orden de masas para la mayoría de los posibles valores de δ . [ 5 ]

La interpretación de los experimentos de desintegración beta doble sin neutrinos también se beneficiará del conocimiento del orden de masas, ya que la jerarquía de masas afecta las vidas medias teóricas de este proceso. [ 4 ]

Los experimentos con reactores también permiten medir θ 13. Si bien no pueden medir δ ni el ordenamiento de masas, su medición del ángulo de mezcla no depende del conocimiento de estos parámetros. Los tres experimentos que han medido un valor para θ 13 , en orden decreciente de sensibilidad, son Daya Bay en China, RENO en Corea del Sur y Double Chooz en Francia, que utilizan  líneas de base de 1 a 2 km, optimizadas para la observación del primer máximo de oscilación controlada de θ 13. [ 6 ]

Objetivos secundarios

Además de sus objetivos físicos principales, NO ν A podrá mejorar las mediciones de los parámetros de oscilación ya medidos. NO ν A, al igual que MINOS , es muy adecuado para detectar neutrinos muónicos y, por lo tanto, podrá refinar nuestro conocimiento de θ 23 .

El detector cercano NO ν A se utiliza para realizar mediciones de las secciones transversales de interacción de neutrinos , que actualmente no se conocen con un alto grado de precisión. Sus mediciones en esta área complementan otros experimentos similares en desarrollo, como MINER ν A , que también utiliza el haz NuMI . [ 7 ]

Dado que es capaz de detectar neutrinos de supernovas galácticas , NO ν A forma parte del Sistema de Alerta Temprana de Supernovas . Los datos de supernovas de NO ν A se pueden correlacionar con los de Super-Kamiokande para estudiar los efectos de la materia en la oscilación de estos neutrinos. [ 4 ]

Diseño

Para lograr sus objetivos físicos, el detector NO ν A necesita ser eficiente en la detección de neutrinos electrónicos, que se espera que aparezcan en el haz NuMI (originalmente compuesto solo de neutrinos muónicos) como resultado de la oscilación de neutrinos.

Sección transversal de la Tierra que muestra Fermilab, MINOS y NO ν A, a escala. La línea roja representa el eje central del haz de NuMI .

Experimentos de neutrinos anteriores, como MINOS , han reducido el ruido de fondo de los rayos cósmicos al estar ubicados bajo tierra. Sin embargo, NO ν A se encuentra en la superficie y depende de información de sincronización precisa y una energía del haz bien definida para reducir los recuentos de fondo espurios. Está situado a 810  km del origen del haz NuMI y a 14 milirradianes (12 km) al oeste del eje central del haz. En esta posición, muestrea un haz con una distribución de energía mucho más estrecha que si estuviera ubicado en el centro, lo que reduce aún más el efecto del ruido de fondo. [ 4 ]  

El detector está diseñado como un par de detectores de centelleo líquido de grano fino. El detector más alejado, ubicado en el norte de Minnesota, consta de aproximadamente 500 000  celdas, cada una de 4  cm × 6  cm × 16 m, rellenas de centelleador  líquido . La luz de centelleo es captada por fibras ópticas fabricadas con un desplazador de longitud de onda , cuyos extremos se conectan a un fotodiodo de avalancha para su lectura.

El detector cercano NO ν A. (Más figuras en Fermilab [ 8 ] )

El detector cercano de Fermilab, que mide el haz de neutrinos no oscilado, tiene el mismo diseño general que el detector lejano y es aproximadamente 1/200 de su masa. Este detector de 222 toneladas está construido con 186 planos de celdas rellenas de centelleador (6 bloques de 31 planos ) seguidos de un captador de muones . Aunque todos los planos son idénticos, los primeros 6 se utilizan como región de veto; se supone que las cascadas de partículas que comienzan en ellos no son neutrinos y se ignoran. Los siguientes 108 planos sirven como región fiducial; las cascadas de partículas que comienzan en ellos son interacciones de neutrinos de interés. Los últimos 72 planos son una "región de contención de cascadas" que observa la porción posterior de las cascadas de partículas que comenzaron en la región fiducial. Finalmente, una región de "capturador de muones" de 1,7 metros de longitud está construida con placas de acero intercaladas con 10 planos activos de centelleador líquido.         

Colaboración

El experimento NO ν A incluye científicos de un gran número de instituciones. Cada institución se encarga de diferentes tareas. La colaboración, y sus subgrupos, se reúne regularmente por teléfono para reuniones semanales y en persona varias veces al año. Las instituciones participantes a mayo de  2024 son: [ 9 ]

Historial de financiación

A finales de 2007, el proyecto NO ν A superó la revisión de "Decisión Crítica 2" del Departamento de Energía  , lo que significaba, en términos generales, que su diseño, coste, cronograma y objetivos científicos habían sido aprobados. Esto también permitió que el proyecto se incluyera en la solicitud de presupuesto del Congreso al Departamento de Energía. ( Aún se requería una revisión de "Decisión Crítica 3" para comenzar la construcción del NO ν A). 

El 21  de diciembre de 2007, el presidente Bush firmó un proyecto de ley de gastos generales , HR  2764, que recortó la financiación para la física de altas energías en 88  millones de dólares del valor esperado de 782  millones de dólares. [ 10 ] El presupuesto de Fermilab se redujo en 52  millones de dólares. [ 11 ] Este proyecto de ley establecía explícitamente que "Dentro de la financiación para la física basada en aceleradores de protones, no se proporcionan fondos para la actividad NO ν A en las mejoras del complejo Tevatron". [ 12 ] [ 13 ] Así que, aunque el proyecto NO ν A mantuvo su aprobación tanto del Departamento de Energía como de Fermilab, el Congreso dejó a NO ν A sin fondos para el año fiscal 2008 para construir su detector, pagar a su personal o continuar en la búsqueda de resultados científicos. Sin embargo, en julio  de 2008, el Congreso aprobó, y el Presidente firmó, un proyecto de ley de presupuesto suplementario, [ 14 ] que incluía fondos para NO ν A, lo que permitió a la colaboración reanudar su trabajo.

El prototipo del detector cercano NO ν A (Near Detector on Surface, o NDOS) comenzó a funcionar en Fermilab en noviembre y registró sus primeros neutrinos del haz NuMI el 15  de diciembre de 2010. [ 15 ] Como prototipo, NDOS fue útil para la colaboración al establecer un caso de uso y sugerir mejoras en el diseño de los componentes del detector que posteriormente se instalaron como un detector cercano en Fermilab y un detector lejano en Ash River, MN ( 48°22′45″N 92°49′54″W / 48.37912°N 92.83164°W / 48.37912; -92.83164 ( NO ν A detector lejano ) ).

Una vez finalizada la construcción del edificio NO ν  A, comenzó la construcción de los módulos del detector. El 26 de julio de 2012 se colocó el primer módulo. La colocación y el pegado de los módulos continuaron durante un año hasta que se llenó la sala del detector.

La primera detección se produjo el 11  de febrero de 2014 y la construcción finalizó en septiembre de ese mismo año. La operación completa comenzó en octubre  de 2014. [ 16 ]

Referencias

  1. ↑ Radovic, Alexander (12 de enero de 2018). "Últimos resultados de oscilación de NO ν A" . Física Experimental-Teórica Conjunta. Base de datos de documentos NO ν A (Comunicado de prensa). Batavia, IL: Fermilab . Recuperado el 30 de marzo de 2018 a través de fnal.gov.
  2. ↑ An, FP; Bai, JZ; Balantekin, AB; Band, HR; Beavis, D.; Beriguete, W.; et al. (Colaboración Daya Bay) (8 de marzo de 2012). "Observación de la desaparición de electrones-antineutrinos en Daya Bay". Physical Review Letters . 108 (17) 171803. arXiv : 1203.1669 . Bibcode : 2012PhRvL.108q1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.171803 . PMID 22680853 . S2CID 16580300 .   
  3. ↑ Abe, K.; et al. (Colaboración T2K) (16 de abril de 2014). "Observación de la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos". Physical Review Letters . 112 (6) 061802. arXiv : 1311.4750 . Bibcode : 2014PhRvL.112f1802A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.061802 . PMID 24580687 . S2CID 2586182 .   
  4. 1 2 3 4 5 6 Ayres, DS; et al. (NO ν A Collaboration) (2005). "NO ν A propuesta para construir un detector fuera del eje de 30 kilotones para estudiar las oscilaciones de neutrinos en la línea de haz NuMI de Fermilab ". arXiv : hep-ex/0503053 .  
  5. ↑ "Experimento de oscilación de neutrinos en JHF" (PDF) . Colaboración T2K (Carta de intención). JHF. 21 de enero de 2003.
  6. ↑ Cao, J. (mayo de 2006) [27 de septiembre de 2005]. "Experimento de neutrinos de Daya Bay". Física nuclear B: Actas suplementarias . 155 : 229–230 . arXiv : hep-ex/0509041 . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.02.057 . S2CID 242130. Se propone que el experimento de neutrinos de Daya Bay mida sin 2 2 θ 13 con una precisión superior a 0,01 al 90 % CL en una operación de tres años. Se presentan el sitio experimental, el diseño del detector y la estimación del fondo. 
  7. ↑ McFarland, K.; et al. ( colaboración MINER ν A) (septiembre de 2006). "MINER ν A: Un experimento dedicado a la dispersión de neutrinos en NuMI". Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 159 : 107– 112. arXiv : physics/0605088 . Bibcode : 2006NuPhS.159..107M . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.08.073 . S2CID 14356072 .  
  8. ↑ «Descripción general del detector» . fnal.gov . NO contra A. Batavia, IL: Fermilab .
  9. ↑ «La Colaboración NO ν A» . NO y A. ​Batavia, Illinois: Fermilab . Consultado el 31 de mayo de 2024 .
  10. ↑ "Cierre del ciclo presupuestario con resultados científicos decepcionantes del Departamento de Energía" . FYI Número 121. Instituto Americano de Física . 18 de diciembre de 2007. Consultado el 21 de diciembre de 2007 . 
  11. ↑ Working, Russell (20 de diciembre de 2007). "Recortan el presupuesto de Fermilab en 52 millones de dólares; es probable que haya despidos" . Chicago Tribune . Archivado del original el 24 de diciembre de 2007. Consultado el 21 de diciembre de 2007 . 
  12. ↑ "Enmiendas de la Cámara de Representantes a la enmienda del Senado a la HR 2764 – Ley de Asignaciones para el Estado, Operaciones Extranjeras y Programas Relacionados, 2008" (PDF) . División C – Energía y Agua. Comité de Reglas de la Cámara de Representantes de EE. UU. (rules.house.gov) . Ley de Asignaciones Consolidadas, 2008. pág. 39 (PDF página 79. Archivado del original (PDF) el 26 de diciembre de 2007. Recuperado el 21 de diciembre de 2007 .    
  13. ↑ "Página de índice de la enmienda completa" . Comité de Reglas de la Cámara de Representantes de EE. UU. (rules.house.gov) . HR 2764. Archivado del original el 26 de diciembre de 2007. 
  14. ↑ Minkel, JR (7 de julio de 2008). "Fermilab se salva del desmantelamiento, por ahora" . Scientific American .
  15. ↑ "Primeros neutrinos para el prototipo de detector NO ν A" . Fermilab Today . 21 de diciembre de 2010. pág. 1. Consultado el 22 de diciembre de 2010 . 
  16. ↑ "El experimento de neutrinos de 500 millas de Fermilab ya está en marcha" . Interactions NewsWire. 6 de octubre de 2014 – vía interactions.org. 
  • " Sitio web oficial de NO ν A" . Batavia, IL: Fermilab - vía fnal.gov.
  • Snyder, Kendra (diciembre de 2005 – enero de 2006). «NO ν A: Un experimento de aparición de neutrinos» . Revista Symmetry . Vol.  2, n.º  10. Archivado del original el 3 de junio de 2012.
  • Fotografías de la construcción del detector NO ν A. Revista Symmetry (imágenes). 14 de septiembre de 2009.