Unicamp lidera estudio de neutrinos en el país en sociedad con Fermilab, laboratorio de física de partículas de EE.UU.

BRASIL, abril 2023, Unicamp

La Unicamp forma parte de una red de 206 instituciones socias del proyecto DUNE – Deep Underground Neutrino Experiment, uno de los mayores proyectos científicos internacionales de la actualidad, liderado por Fermilab, un laboratorio de física de partículas de alta energía vinculado al Departamento de Energía de los Estados Unidos. El programa ya cuenta con un financiamiento de alrededor de US$ 3 mil millones. Unicamp va a coordinar el trabajo científico y tecnológico realizado en Brasil. Los beneficios de la participación de la Universidad en DUNE van más allá del conocimiento generado y también involucran el desarrollo industrial de alta tecnología y la generación de empleo en el país.

Desde finales del siglo XIX, el suelo profundo de la ciudad de Lead, en Dakota del Sur, en los Estados Unidos, es famoso por la exploración de oro. El sitio albergaba la mina Homestake, una de las más grandes de América del Norte hasta que fue clausurada en 2002. La riqueza volverá a emerger del subsuelo de Lead, pero ahora en forma de inmensos avances científicos en física de partículas. Parte del suelo excavado de la antigua mina se utilizará para viabilizar la segunda fase de DUNE.

Los días 13 y 14 de marzo, los líderes del experimento, incluida la directora del Fermilab, Lia Merminga, estuvieron en la Unicamp para un taller que celebró los logros de la primera fase de la asociación, se centró en el desarrollo de la investigación y delineó las proyecciones para el trabajo de la segunda etapa, que consistirá en fabricar las tecnologías criogénicas de Argón Líquido (LAr) a escala real y transportarlas a las instalaciones experimentales en Estados Unidos. “Esta es una oportunidad extraordinaria para el país, no solo desde el punto de vista científico, sino también desde el punto de vista tecnológico. Todo será construido en Brasil bajo el liderazgo de la Unicamp”, evalúa Pascoal Pagliuso, profesor del Instituto de Física “Gleb Wataghin” (IFGW) y líder del proyecto de Purificación de Aire de la Unicamp.

“Brasil tiene una larga historia de asociación con Fermilab. Comenzó con el segundo director de nuestra institución, Leon Lederman, quien también recibió el Premio Nobel de Física”, comenta Lia Merminga, según la cual la cooperación entre Fermilab y Unicamp resultará en ganancias estratégicas para ambas instituciones. “La fase dos del proyecto DUNE traerá numerosos beneficios, que incluyen el intercambio de una gran cantidad de profesionales y tecnologías entre Brasil y los Estados Unidos”.

El viaje de los neutrinos 

Los neutrinos son la segunda partícula elemental más abundante en el Universo, solo por detrás de los fotones. Fueron teorizados en la década de 1930 por Wolfgang Pauli y su existencia fue probada en 1956 por los norteamericanos Frederick Reines y Clyde Cowan. Hay tres tipos de neutrinos: electrón, muón y tau. Debido a su participación en las interacciones que forman la materia y la antimateria, los estudios de neutrinos pueden revelar información importante sobre el origen y la dinámica de los elementos predominantes en la materia presente en la naturaleza. “Si los neutrinos son la respuesta a eso, son la razón por la que estamos aquí”, señala Lia Merminga. 

El proyecto DUNE consiste en el desarrollo e instalación de detectores de neutrinos en diferentes puntos de Estados Unidos. La primera ubicación, de menores proporciones, será en la sede de Fermilab, en la ciudad de Batavia, área metropolitana de Chicago, Estado de Illinois. El otro operará en Dakota del Sur, a una profundidad de 1.500 metros. Esta instalación, la más grande jamás construida, estará repartida en tres cavernas que juntas ocupan una superficie de 72.000 metros cuadrados, el equivalente a ocho campos de fútbol.

Se montarán detectores en las cavernas norte y sur. La caverna central contará con equipos de depuración, circulación y condensación de 70.000 toneladas de argón líquido, que se utilizarán en los detectores; Para ello se excavarán más de 800 mil toneladas de rocas. 

Un acelerador de protones en Fermilab generará el haz de neutrinos, a partir de la colisión de partículas, que viajará a través de la corteza terrestre. En el primer detector, será posible analizar los neutrinos antes de que ocurran las oscilaciones, además de algunas características importantes del haz. Después de este paso, los neutrinos viajarán 1.300 kilómetros hasta el detector más grande. 

El viaje entre los dos puntos, generación y detección, provoca oscilaciones en las partículas, provocando que un determinado tipo de neutrino se transforme en otro. El estudio de estos cambios puede ayudar a los científicos a responder preguntas importantes sobre la composición del Universo, como la asimetría entre materia y antimateria y los fenómenos que explican la formación de estrellas y agujeros negros, además de ayudar en la búsqueda de señales de protones. decadencia. Los experimentos abren espacio para la llamada unificación de teorías físicas (Grand Unified Theory – GUT), según la cual las interacciones fundamentales -fuerzas nucleares fuertes y débiles, fuerza electromagnética y fuerza de gravedad- se unificarían en una sola teoría, superando las deficiencias. del Modelo Estándar. “Ese era el sueño de [Albert] Einstein”, enfatiza Merminga.

Ciencia (muy) bajo cero 

La identificación de neutrinos por parte de los detectores DUNE se basa en su capacidad para interactuar con el argón líquido. Cuando los núcleos de los átomos de gases nobles y los neutrinos interactúan, se generan partículas cargadas y se emite luz de centelleo. Gracias a estos dos fenómenos es posible señalar la existencia de neutrinos y estudiarlos. Para que ese proceso se lleve a cabo, la Unicamp juega un papel fundamental en el desarrollo de tecnologías para el sistema criogénico que enfría, condensa y circula el LAr a una temperatura de -184ºC. Debido a esto, la ciencia de DUNE depende de la construcción de enormes criostatos que contengan LAr.

Otro desafío científico en el que trabajan los investigadores de la Unicamp es la necesidad de purificar el argón líquido. Para crear las soluciones necesarias, se instaló en la IFGW la configuración de prueba de purificación PuLarC – LAr, un criostato a pequeña escala para pruebas de purificación de argón líquido. Dividido en cuatro frentes de trabajo y con la participación de investigadores de la IFGW, de la Facultad de Ingeniería Química (FEQ), ambos de la Unicamp, e instituciones asociadas (Universidad de São Paulo – USP; Universidad Federal de São Carlos – UFSCar; Universidad de São João del Rei – UFSJ; Universidad del ABC – UFABC; y Centro Brasileño de Investigaciones Físicas – CBPF), se desarrollaron prototipos y nuevas técnicas de filtrado de argón, además de instrumentos para monitorear esa pureza, que superan las tecnologías en uso en Fermilab. 

“Esta es una tecnología central del experimento, que garantiza la capacidad de purificar argón en cantidades de unas pocas partes por billón, una pureza inmensa que normalmente no se logra en el uso comercial”, explica Pagliuso. El investigador destaca que la participación de la ciencia brasileña en esta etapa del proceso otorga al país un papel importante en el proyecto. “El país juega un papel fundamental en el desarrollo de esta tecnología y en la construcción de parte de todo el sistema criogénico. Buena parte de la cueva central está en manos de Brasil”. 

Hasta entonces, la principal impureza que los científicos buscaban capturar del argón eran los átomos de oxígeno, lo que dificultaba la correcta identificación de las partículas. Un muón, por ejemplo, podría identificarse erróneamente como un electrón. En este caso, sería difícil identificar el neutrino que aparece junto a estas partículas. Sin embargo, los experimentos realizados por la Unicamp para desarrollar nuevos filtros para ese fin también tuvieron éxito en la captura de átomos de nitrógeno, que interfieren con la emisión de luz. 

La interacción de la partícula con el argón líquido ocurre a través de los procesos de ionización y centelleo. La ionización tiene lugar cuando los electrones libres de los átomos de argón son atraídos por los detectores y recogidos por planos anódicos instalados en el sitio. A partir de la trayectoria de la partícula, es posible identificar otras que se produjeron. El centelleo, en cambio, ocurre con la excitación de los átomos de argón, evento en el que adquieren más energía. En este proceso, al sufrir una desintegración, el átomo libera energía en forma de luz. Ese tipo específico de identificación ocurrirá en DUNE gracias a una tecnología creada por la Unicamp: el dispositivo X-Arapuca. 

Caer en la trampa 

El proyecto de desarrollo X-Arapuca fue concebido y coordinado por Ana Amélia Machado y Ettore Segreto, investigadores de la IFGW. El dispositivo consta de una caja con paredes internas reflectantes y, por un lado, un filtro de luz por el que solo pasan determinadas longitudes de onda. En el exterior del filtro se coloca una película que convierte el fotón emitido por el centelleo de argón en una longitud de onda que puede atravesar el filtro y entrar en la caja. En su interior, tiene su longitud de onda aumentada hasta un valor por encima del corte del filtro, del orden de los 430 nanómetros (unidad equivalente a la milmillonésima parte de un metro), de modo que la partícula ya no puede salir de la trampa. En el interior del dispositivo, se instalan sensores de silicio SiPM (Silicon Photomultiplier) que detectan fotones. 

Las primeras pruebas de la tecnología se realizaron en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) y luego en el Laboratorio Lepton de la Unicamp. El equipo también fue probado en el CERN (acrónimo en francés de la Organización Europea para la Investigación Nuclear), socio de DUNE, y en universidades de España e Italia. En 2022, se instalaron 197 unidades X-Arapuca en el experimento SBND (Short Baseline Near Detector) en Fermilab, y 40 módulos en protoDUNE, un prototipo del gran experimento, instalado en el CERN. La expectativa es que los resultados se obtengan a fines de este año o principios de 2024. “Construiremos aquí, en Brasil, detectores de luz de centelleo, que constituyen una de las dos señales para detectar neutrinos”, celebra Machado. Se instalarán alrededor de 1.500 módulos X-Arapuca en los detectores DUNE.

“Un barco en una botella” 

Toda la primera fase de DUNE se centró en el desarrollo y prueba de las tecnologías que se utilizarán en la fase dos, etapa en la que todo se construirá a gran escala. Se completó alrededor del 57 % de las excavaciones en Dakota del Sur y la instalación de detectores comenzará en 2024. 

En Brasil, la obra implicará la producción a escala industrial y el transporte de todos los equipos a los Estados Unidos. Ese será un gran desafío para las empresas del Grupo Akaer, de São José dos Campos, socias del proyecto. Además de la complejidad que implica la fabricación de los componentes, también existe la necesidad de construir todo en piezas que puedan ser transportadas y ensambladas bajo tierra. “Construyamos un barco en una botella. Cada detalle es un desafío”, compara Fernando Coelho, vicepresidente del Grupo Akaer. 

Los investigadores también esperan que la Fundación de Investigación de São Paulo (FAPESP) continúe apoyando la creación de un Centro de Ingeniería de Instrumentación Avanzada para Física de Altas Energías, centrado en el sistema criogénico DUNE LAr y en el X-Arapuca, en el contexto de la Programas del Centro de Innovación mantenidos por la agencia de desarrollo, en asociación con universidades y empresas. Según Pascoal Pagliuso, la instalación del centro también depende del apoyo de otras instituciones, como el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI), y abre espacio para que surjan otros centros en Brasil. 

Más allá de los logros científicos que se derivan de un proyecto de tales proporciones, el profesor destaca la importancia de DUNE para el desarrollo de la industria de alta tecnología del país y para la generación de nuevos empleos. “Imagínese si Brasil estuviera directamente involucrado en la construcción del LHC (Large Hadron Collider) en el CERN, hace 30 años. Sería algo extraordinario no solo para la investigación, sino también para la creación de empleo y el desarrollo tecnológico. Ahora tenemos estas oportunidades que nos brinda DUNE y no las podemos perder”, reflexiona Pagliuso.

Fuente: Unicamp