Primeros resultados | Fermilab Wine & Cheese

*** Los días pasados han sido de los más emocionantes que me han tocado vivir. Los comparo con haber corrido la final de los 75 metros planos de la infantil mayor en la Revolución (aunque sin lluvia y frío pero con viento en contra).

Y es que hoy fue el día en el que se dieron a conocer públicamente los primeros resultados del experimento NOvA en el Wine & Cheese de Fermilab (versión especial en jueves). Proyecto que desde su planeación, hace diez años, tiene como objetivo dar respuesta a preguntas fundamentales en la física de neutrinos.

Puntuales a la usanza americana, la comunidad inició a ocupar los asientos del mítico Ramsey Auditorium. Ryan Patterson (analysis coordinator) de Caltech dió la charla.

El experimento NOvA es un experimento del tipo long-baseline (lo que significa que la distancia entre la fuente de neutrinos y el detector es del orden de cientos de kilómetros) cuyo objetivos son determinar el ordenamiento de masa de los neutrinos, determinar el octante para el ángulo de mezcla \theta_{23} y decir algo sobre el valor de la fase \delta_{CP} . Para lograrlo, NOvA usará el hecho de que los neutrinos transmutan de un tipo de neutrino a otro (neutrino oscillations) en la forma de \nu_{\mu} \to \nu_{e} (electron neutrino appearance channel).

Jerarquía de masas.
Jerarquía de masas.

Por otro lado, usando el la transmutación \nu_{\mu} \to \nu_{\mu} (muon neutrino disapearance), se buscará medir con mayor precisión los valores de \sin^{2}{\theta_{23}} y de la diferencia cuadrada de las masas \delta m^{2}_{32} .

Pero el programa también incluye mediciones de la secciones eficaces, búsqueda de neutrinos estériles, y neutrinos provenientes de supernovas.

Ubicación de los detectores.

El haz de neutrinos es producido en Fermilab usando protones acelerados a una energía de 120 GeV para después hacerlos colisionar con un blanco de grafito. Debido a la alta energía adquirida, al colisionar se producen gran cantidad de otras partículas, las cuales decaen produciendo neutrinos al final.

El detector cercano es una estructura hecha de plástico PVC llenada con aceite mineral comparable en tamaño a la mitad del edificio A de la Facultad de Ciencias (UCol) cuya unidad básica de detección es la celda. Dentro de dicha celda se encuentra una fibra óptica con ambas puntas conectadas a un avalanche photodiode, el cual convierte la señal luminosa, producida por una partícula cargada al interactuar con el líquido centellador del detector, a señal digital. Dicho detector se encuentra a 100 metros bajo tierra y a escasos 1000 metros de la fuente de neutrinos. Uno de sus objetivos es medir el espectro de energía de los neutrinos antes de sufrir el fenómeno de oscilación.

El detector lejano es similar en material de construcción y diseño, solo que comparable a un edificio de 5 pisos. Ostenta el record Guiness a la estructura hecha de plástico más grande en el mundo (15x15x65 metros). El número de canales por donde fluye la información en el detector es del orden de 344,000 y fue todo un reto tanto para el grupo de adquisición de datos (DAQ) como para el de computación y electrónica. Debido a que se ubica en la superficie, el detector lejano es sensible a rayos cósmicos, los cuales son parte del background.

Muon neutrino candidate
Evento típico en el detector lejano sin cosmic ray background y en la ventana de tiempo del beam de neutrinos.

La receta para estudiar el canal del muon-neutrino-disapearance consiste básicamente en tres pasos:

  • Identificar las interacciones \nu_{\mu} de corriente cargada (CC) en cada detector
  • Medir sus energías
  • Extraer la información de oscilación usando las diferencias entre los espectros de energía entre los detectores lejano y cercano

La característica principal de dichos eventos en NOvA es que poseen un track del muón (del órden de algunos metros) en vértice con un track más pequeño asociado al protón.

SPOILER ALERT: NOvA observó claramente señal de desaparición del neutrino del muón.

De manera similar, la receta para estudiar el canal del electron-neutrino-appearance consiste en:

  • Identificar las interacciones \nu_{e} de corriente cargada (CC) en cada detector
  • Usar eventos seleccionados del detector cercano para predecir la señal de background en el detector lejano
  • Interpretar cualquier posible exceso en la señal de background en el detector lejano como evidencia de electron-neutrino-apearance

Eventos típicos

La característica principal de este tipo de eventos es la de una cascada electromagnética en vértice con un track más pequeño asociado al sistema hadrónico.

SPOILER ALERT: NOvA poseé evidencia de electron-neutrino-apearance en el detector lejano.

En resumen…

First Results
Image provided by Nitin Yadav.

El trabajo continúa y ambos grupos de análisis estan trabajando para pronto tener una versión del primer artículo en el siempre querido arXiv.

Para dar un contexto a lo anterior descrito, finalizo con una paráfrasis al texto de Hernán Casciari en su post Messi es un perro:

Cada vez que bajo las escaleras internas del Wilson Hall y una vez afuera veo el edificio iluminado, en ese momento que siempre me recuerda al verano de 2010, digo lo mismo para mis adentros: hay que tener mucha suerte, Andrés, para que te guste mucho una carrera en física de neutrinos y te toque ser contemporáneo de uno de sus mejores experimentos […]

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