12/07/2018
El IFIC desarrolla el ‘termómetro’ más preciso del mundo para experimentos de física de partículas
Científicos del Instituto de Física Corpuscular (centro mixto de la Universitat de València y el CSIC) instalan en el CERN un sistema extremadamente sensible para medir la temperatura del ProtoDUNE, prototipo a gran escala del DUNE, uno de los mayores experimentos en física de neutrinos del mundo. Se trata del termómetro más grande y preciso creado para experimentos de física de partículas.
Los experimentos de física de partículas son las Olimpiadas de la ciencia: exigen que la tecnología siempre vaya un paso más allá. En lugar del ‘citius, altius, fortius’ latino (más rápido, más alto, más fuerte), estos experimentos, que tratan de desentrañar de qué está hecho el Universo, han de ser los más grandes y precisos de su género. En el CERN se construyen dos prototipos a gran escala de uno de los mayores experimentos en física de neutrinos del mundo, DUNE. Para funcionar requieren toneladas de argón líquido cuya temperatura debe ser homogénea. Y para comprobar que así sea, un equipo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) –Centro de Excelencia Severo Ochoa de la Universitat de València y el CSIC, en el Parc Científic de la institución académica– ha desarrollado un instrumento que mide esta temperatura con una precisión de hasta tres milésimas de grado.
ProtoDUNE consiste en dos grandes contenedores separados en forma de cubo de unos 8 metros de alto que contienen 800 toneladas de argón líquido cada uno, donde se sumergen unos detectores muy precisos capaces de ver en 3D el paso de partículas cargadas que los atraviesan. Se ubican en las instalaciones del CERN en Ginebra, Suiza, y sirven para probar la tecnología que se empleará en DUNE, un experimento que se desarrollará en los Estados Unidos en la próxima década y que utilizará el haz de neutrinos más potente del mundo para estudiar esta misteriosa partícula fundamental –el neutrino–, la más escurridiza de todas.
Para que el argón (un gas a temperatura ambiente) sea líquido tiene que alcanzar los 184 grados centígrados bajo cero. Para ello se han construido los criostatos más grandes creados hasta la fecha, con un volumen interno de medio millón de litros. Pero no basta con mantener el argón en fase líquida: el correcto funcionamiento del detector exige que las variaciones de temperatura dentro del criostato estén por debajo de dos centésimas de grado, una diferencia minúscula para un volumen tan grande.
Para controlar esto, se requiere un sistema muy preciso de medición de la temperatura, que ha sido desarrollado por un equipo de científicos y técnicos del IFIC. Se trata de una estructura de fibra de vidrio de casi 8 metros de largo donde se insertan 48 sensores de platino calibrados en el propio IFIC para alcanzar una precisión en la medida de la temperatura de hasta 2 milésimas de grado. Esta estructura está rodeada por una ‘jaula de Faraday’, que protege al sistema del enorme campo eléctrico (70.000 voltios) cerca del que está situado.
“Se trata del sistema de medición de temperatura más grande y preciso que se ha desarrollado para este tipo de experimentos en física de partículas”, asegura Anselmo Cervera Villanueva, científico titular del CSIC en el IFIC y responsable de su desarrollo. El sistema de criogenia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que distribuye helio superfluido a -271,3 °C por el anillo de acelerador para refrigerar los imanes superconductores, no requiere este nivel de precisión.
El propio CERN es responsable del sistema criogénico de ProtoDUNE y de los criostatos de los dos prototipos, siendo fundamental su colaboración con el IFIC para el desarrollo sistema de medida de la temperatura, que se instaló a finales de junio.
Este sistema forma parte de la contribución del IFIC al experimento DUNE, donde colaboran más de 1.000 científicos de 175 instituciones en 32 países junto al CERN. Además de desarrollar el sistema de monitorización de temperatura de al menos los 2 primeros detectores de DUNE (de los cuatro previstos), con 10.000 toneladas de argón líquido cada uno, el grupo experimental del IFIC coordina el control del resto de parámetros del criostato. Además, el IFIC ha coordinado un grupo de trabajo en DUNE para medir la desintegración del protón, estudiando la sensibilidad del experimento para observar este proceso aún no detectado. Y desarrolla herramientas para el análisis de datos de DUNE y sus prototipos, así como en el diseño y futura instalación del sistema de detección de luz de uno de los cuatro gran detectores del experimento.
El Instituto realiza, además, simulaciones sobre la capacidad de DUNE para determinar parámetros aún desconocidos, como el que codifica la posible diferencia de comportamiento entre neutrinos y antineutrinos, clave para entender por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria. DUNE estudiará las interacciones de los haces de neutrinos enviados con una intensidad y precisión sin precedentes desde Fermilab (cerca de Chicago) hasta el laboratorio subterráneo de Sanford (Dakota del Sur) para entender los cambios que sufren estas partículas cuando viajan de un punto a otro (1.300 kilómetros) en un abrir y cerrar de ojos. Esto permitirá buscar respuestas a preguntas fundamentales de la física actual.
Además de estudiar con detalle las oscilaciones entres los tres tipos de neutrinos conocidos, es decir el cambio que realizan durante su viaje por el espacio, DUNE comprobará la existencia de otro tipo de neutrino más pesado pero con interacciones aún más débiles que los conocidos hasta ahora, el llamado ‘neutrino estéril’. DUNE también podría desentrañar la naturaleza de las misteriosas partículas que forman la materia oscura del Universo, que podrían producirse junto con los neutrinos en el haz producido en Fermilab y ser descubiertas en un detector cercano. También podrá observar los neutrinos producidos en explosiones estelares (supernovas), revelando la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros, e investigará si los protones viven para siempre o se desintegran en otras partículas, acercándonos a la realización del sueño de Einstein: la Teoría de la Gran Unificación.
Los experimentos de física de partículas son las Olimpiadas de la ciencia: exigen que la tecnología siempre vaya un paso más allá. En lugar del ‘citius, altius, fortius’ latino (más rápido, más alto, más fuerte), estos experimentos, que tratan de desentrañar de qué está hecho el Universo, han de ser los más grandes y precisos de su género. En el CERN se construyen dos prototipos a gran escala de uno de los mayores experimentos en física de neutrinos del mundo, DUNE. Para funcionar requieren toneladas de argón líquido cuya temperatura debe ser homogénea. Y para comprobar que así sea, un equipo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) –Centro de Excelencia Severo Ochoa de la Universitat de València y el CSIC, en el Parc Científic de la institución académica– ha desarrollado un instrumento que mide esta temperatura con una precisión de hasta tres milésimas de grado.
ProtoDUNE consiste en dos grandes contenedores separados en forma de cubo de unos 8 metros de alto que contienen 800 toneladas de argón líquido cada uno, donde se sumergen unos detectores muy precisos capaces de ver en 3D el paso de partículas cargadas que los atraviesan. Se ubican en las instalaciones del CERN en Ginebra, Suiza, y sirven para probar la tecnología que se empleará en DUNE, un experimento que se desarrollará en los Estados Unidos en la próxima década y que utilizará el haz de neutrinos más potente del mundo para estudiar esta misteriosa partícula fundamental –el neutrino–, la más escurridiza de todas.
Para que el argón (un gas a temperatura ambiente) sea líquido tiene que alcanzar los 184 grados centígrados bajo cero. Para ello se han construido los criostatos más grandes creados hasta la fecha, con un volumen interno de medio millón de litros. Pero no basta con mantener el argón en fase líquida: el correcto funcionamiento del detector exige que las variaciones de temperatura dentro del criostato estén por debajo de dos centésimas de grado, una diferencia minúscula para un volumen tan grande.
Para controlar esto, se requiere un sistema muy preciso de medición de la temperatura, que ha sido desarrollado por un equipo de científicos y técnicos del IFIC. Se trata de una estructura de fibra de vidrio de casi 8 metros de largo donde se insertan 48 sensores de platino calibrados en el propio IFIC para alcanzar una precisión en la medida de la temperatura de hasta 2 milésimas de grado. Esta estructura está rodeada por una ‘jaula de Faraday’, que protege al sistema del enorme campo eléctrico (70.000 voltios) cerca del que está situado.
“Se trata del sistema de medición de temperatura más grande y preciso que se ha desarrollado para este tipo de experimentos en física de partículas”, asegura Anselmo Cervera Villanueva, científico titular del CSIC en el IFIC y responsable de su desarrollo. El sistema de criogenia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que distribuye helio superfluido a -271,3 °C por el anillo de acelerador para refrigerar los imanes superconductores, no requiere este nivel de precisión.
El propio CERN es responsable del sistema criogénico de ProtoDUNE y de los criostatos de los dos prototipos, siendo fundamental su colaboración con el IFIC para el desarrollo sistema de medida de la temperatura, que se instaló a finales de junio.
Este sistema forma parte de la contribución del IFIC al experimento DUNE, donde colaboran más de 1.000 científicos de 175 instituciones en 32 países junto al CERN. Además de desarrollar el sistema de monitorización de temperatura de al menos los 2 primeros detectores de DUNE (de los cuatro previstos), con 10.000 toneladas de argón líquido cada uno, el grupo experimental del IFIC coordina el control del resto de parámetros del criostato. Además, el IFIC ha coordinado un grupo de trabajo en DUNE para medir la desintegración del protón, estudiando la sensibilidad del experimento para observar este proceso aún no detectado. Y desarrolla herramientas para el análisis de datos de DUNE y sus prototipos, así como en el diseño y futura instalación del sistema de detección de luz de uno de los cuatro gran detectores del experimento.
El Instituto realiza, además, simulaciones sobre la capacidad de DUNE para determinar parámetros aún desconocidos, como el que codifica la posible diferencia de comportamiento entre neutrinos y antineutrinos, clave para entender por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria. DUNE estudiará las interacciones de los haces de neutrinos enviados con una intensidad y precisión sin precedentes desde Fermilab (cerca de Chicago) hasta el laboratorio subterráneo de Sanford (Dakota del Sur) para entender los cambios que sufren estas partículas cuando viajan de un punto a otro (1.300 kilómetros) en un abrir y cerrar de ojos. Esto permitirá buscar respuestas a preguntas fundamentales de la física actual.
Además de estudiar con detalle las oscilaciones entres los tres tipos de neutrinos conocidos, es decir el cambio que realizan durante su viaje por el espacio, DUNE comprobará la existencia de otro tipo de neutrino más pesado pero con interacciones aún más débiles que los conocidos hasta ahora, el llamado ‘neutrino estéril’. DUNE también podría desentrañar la naturaleza de las misteriosas partículas que forman la materia oscura del Universo, que podrían producirse junto con los neutrinos en el haz producido en Fermilab y ser descubiertas en un detector cercano. También podrá observar los neutrinos producidos en explosiones estelares (supernovas), revelando la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros, e investigará si los protones viven para siempre o se desintegran en otras partículas, acercándonos a la realización del sueño de Einstein: la Teoría de la Gran Unificación.
