Ciencia y tecnología. Listo el observatorio de neutrinos más grande del mundo

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Completa la construcción del observatorio de neutrinos más grande del mundo

Por: Valram.
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Foto: NSF / B. Gudbjartsson

Culminando una década de planificación, innovación y prueba del mayor observatorio de neutrinos del mundo, instalado en el hielo de la meseta antártica en el Polo Sur geográfico, se completó con éxito el 18 de diciembre 2010, hora de Nueva Zelanda.

86 hoyos fueron perforados y 5,160 sensores ópticos instalados para formar el detector principal del Observatorio de neutrinos IceCube (un kilómetro cúbico de hielo), ubicado en Amundsen-Scott del Polo de la estación de la Fundación Nacional de Ciencias del Sur.

Desde su punto de vista, en el fin del mundo, el IceCube ofrece un medio innovador para investigar las propiedades de las partículas fundamentales que se originan en algunos de los fenómenos más espectaculares del universo.

En lo profundo, la quietud oscura del hielo antártico, el IceCube registra las raras colisiones de los neutrinos ―una de las más esquivas partículas sub-atómicas― con los núcleos atómicos de las moléculas de agua del hielo. Algunos neutrinos provienen del sol, mientras que otros provienen de los rayos cósmicos que interactúan con la atmósfera de la Tierra y de dramáticas fuentes astronómicas, como explosiones de estrellas en la Vía Láctea y otras galaxias lejanas. Una corriente de trillones de neutrinos atraviesan el cuerpo humano en un momento dado, pero rara vez interactúan con la materia ordinaria, y los investigadores quieren saber más acerca de ellos y de dónde vienen.

El tamaño del observatorio es importante porque aumenta el número de posibles colisiones que se pueden observar, por lo que el nuevo observatorio hace, de la astrofísica de neutrinos, una realidad.

La finalización de la construcción es la culminación de uno de los más ambiciosos y complejos proyectos científicos multinacionales que se hayan intentado. La National Science Foundation (NSF) aportó $242 millones (de dólares) para un costo total de $279 millones. NSF es quien administra el Programa Antártico de Estados Unidos, que coordina toda la investigación de los EE.UU. en el continente austral.

La Universidad de Wisconsin-Madison, como institución líder de los EE.UU. para el proyecto, fue financiada por la NSF para gestionar y coordinar los trabajos necesarios del diseño y construcción de los complejos, y a menudo únicos,  componentes y software del proyecto.

La universidad diseñó y construyó el taladro mejorado de agua caliente, que fue montado en el laboratorio de ciencias físicas en Stoughton, Wisconsin. La perforadora de agua caliente, de 4.8 megavatios, es una máquina única que pueden penetrar más de dos kilómetros en el hielo en menos de dos días.

Después de que el agua caliente perfora limpiamente la capa de hielo, los especialistas en la implementación conectaron los sensores ópticos en cadenas de cable hasta profundidades de entre 1,450 y 2,450 metros. El hielo mismo a estas profundidades es muy oscuro pero ultratransparente ópticamente.

Cada cadena tiene 60 sensores y 86 cadenas componen el detector principal del IceCube. Además, cuatro sensores más se asientan en la parte superior del hielo por encima de cada cadena, formando la matriz IceTop. La matriz IceTop combinada con la del detector IceCube forman el Observatorio IceCube, cuyos sensores registrarán las interacciones de los neutrinos.

La exitosa finalización del observatorio es también un hito en la cooperación científica internacional en el continente austral. Además de los investigadores de las universidades y laboratorios de investigación en los EE.UU., Bélgica, Alemania y Suecia ―los países que financiaron el observatorio―, los datos que arroje el IceCube serán analizados, también, con investigadores de Barbados, Canadá, Japón, Nueva Zelanda, Suiza y el Reino Unido.

"El IceCube no sólo es un magnífico observatorio para la investigación fundamental de la astrofísica, es el tipo de ciencia ambiciosa que sólo puede ser tratada a través de la cooperación ―la diplomacia de la ciencia, si se quiere― de muchos países que, trabajando unidos en las mejores tradiciones de la Antártida, utilicen la ciencia hacia un solo objetivo"

Dijo Karl A. Erb, director de la Oficina de Programas de NSF Polar.

"El completar este ambicioso proyecto, tanto a tiempo como dentro del presupuesto, es un homenaje al buen trabajo de la Universidad de Wisconsin-Madison y sus instituciones asociadas, pero también es un reflejo de la excelencia del personal y la infraestructura del Programa Antártico de los EE.UU.", agregó. "La ciencia como la que hace el IceCube en la Antártida, se logra porque es un laboratorio mundial único…"

El IceCube es uno de los proyectos de construcción científicos más ambicioso y complejo que se haya intentado.

Para construir el observatorio, todo el personal del proyecto, equipo, alimentos y componentes del detector tuvo que ser transportado a la Antártida desde varios lugares alrededor del mundo. Todo tuvo que ser transportado en el avión C-130 de la estación de McMurdo equipado con esquí, cerca de la costa de la Antártida hasta el Polo Sur, más de 800 millas aéreas de distancia.

Trabajando solamente durante el verano antártico relativamente cálido y corto ―de noviembre a febrero, cuando el sol brilla las 24 horas del día― la perforación y equipos de implementación trabajaron en turnos para maximizar su tiempo en el hielo cada año.

Un equipo internacional de científicos, ingenieros y especialistas en informática han estado trabajando en el desarrollo y construcción del detector desde noviembre de 1999, cuando la primera propuesta fue presentada a la NSF y socios en Bélgica, Alemania y Suecia.

En la década de 1950, el premio Nobel de Física Frederick Reines y otros físicos de partículas se dieron cuenta de que los neutrinos podrían ser utilizados como mensajeros astronómicos. A diferencia de la luz, los neutrinos pasan a través de la mayoría de la materia, por lo que son una sonda única para la exploración de los procesos más violentos en el universo con la participación de estrellas de neutrones y agujeros negro. Los neutrinos estudiados por el IceCube tienen energías muy superiores a las producidas por aceleradores artificiales.

A diferencia de muchos proyectos científicos a gran escala, el IceCube comenzó a registrar datos antes que la construcción se complete. Cada año, desde 2005, tras la temporada de la primera implementación, la nueva configuración de las cadenas de sensores comenzó a tomar datos. Cada año, el detector fue creciendo, más y mejores datos fueron enviados desde el Polo Sur hasta los almacenes de datos en la Universidad de Wisconsin y de todo el mundo.

Francis Halzen, investigador principal del proyecto, dijo:

"Incluso en esta fase difícil del proyecto, nosotros publicamos resultados sobre la búsqueda de la materia oscura y se encontraron patrones interesantes en las direcciones de llegada de los rayos cósmicos. Ya, el IceCube ha ampliado las medidas del haz de neutrinos atmosféricos a las energías de más de 100 TeV (teraelectronvoltio)".

"Con la finalización del IceCube, estamos en nuestro camino para alcanzar un nivel de sensibilidad que nos permita ver los neutrinos de fuentes más allá del sol".

Fuente: NSF, University of Wisconsin-Madison complete construction of the world's largest neutrino observatory

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Valram

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Ciencia y tecnología. Materia y antimateria se comportan de forma diferente

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Nueva evidencia de que la materia y la antimateria se puede comportar de forma diferente


Los neutrinos, partículas elementales generadas por reacciones nucleares en el sol, sufren de una crisis de identidad al cruzar el universo, pueden presentarse de tres diferentes "sabores". Sus homólogos de antimateria –que son idénticos en masa, pero contrario a carga y spin (giro)– hagan lo mismo cosa.

Un equipo de físicos entre ellos algunos del MIT ha encontrado diferencias sorprendentes entre el sabor de la oscilación de neutrinos y antineutrinos. Si se confirma, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué la materia, y no la antimateria, domina nuestro universo.

"La gente está muy entusiasmada porque sugiere que hay diferencias entre los neutrinos y antineutrinos”, dice Georgia Karagiorgi, una estudiante graduada del MIT y uno de los líderes de los análisis de datos experimentales producidos por el experimento Booster Neutrino (MiniBooNE) en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi.

El nuevo resultado, anunciado en junio y presentado a la revista Physical Review Letters, que parece ser una de las primeras violaciones de la simetría CP(*) observadas: la teoría de que la materia y la antimateria debería comportarse de la misma manera. La violación de simetría CP se ha visto antes en los quarks, otro tipo de partículas elementales que componen los protones y los neutrones, pero nunca en los neutrinos o electrones.

Foto: Fermilab

El hallazgo también podría obligar a los físicos a revisar su modelo estándar, que cataloga todas las partículas conocidas que forman la materia. El modelo plantea ahora sólo tres tipos de neutrinos, pero un cuarto (o quinto o sexto) puede ser necesario para explicar los nuevos resultados.

"Si se demuestra que esto es correcto, tendría importantes implicaciones para la física de partículas", dice John Learned, profesor de física en la Universidad de Hawai, que no forma parte del equipo de MiniBooNE.

Hasta ahora, los investigadores disponen de datos suficientes para presentar sus resultados con un nivel de confianza justo por debajo del 99.7 por ciento (también llamado 3 sigma), que no es lo suficientemente alto como para reclamar un nuevo descubrimiento. Para llegar a ese nivel, se requiere 5–sigma de confianza (99.99994 por ciento). "La gente va a exigir una razón muy limpia, resultado de la 5-sigma", dice aprendidas.

Desde la década de 1960, los físicos han estado reuniendo pruebas de que los neutrinos pueden cambiar, u oscilar entre tres sabores diferentes: electrón, muón y tau (electrónico, muónico y tauónico) y, cada uno de ellos, tiene una masa diferente. Sin embargo, aún no han sido capaces de descartar la posibilidad de que más tipos de neutrinos podrían existir.

En un esfuerzo por ayudar a concretar el número de neutrinos, los físicos MiniBooNE enviarán haces de neutrinos y antineutrinos por un túnel de 500 metros, al final del cual se encuentra un tanque de 250,000 galones(2) de aceite mineral. Cuando los neutrinos o antineutrinos chocan con un átomo de carbono en el aceite mineral, los rastros de energía dejados permitirán a los físicos identificar de que sabor son los neutrinos participantes en la colisión. Los neutrinos, que no tienen carga, rara vez interactúan con otras materias, por lo que tales colisiones son raras.

MiniBooNE se creó en 2002 para confirmar o refutar una conclusión controvertida de un experimento en el Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) en Los Álamos National Laboratory. En 1990, el LSND informó que un número, mayor de lo esperado, de antineutrinos parecía ser oscilante en distancias relativamente cortas, lo que sugiere la existencia de un cuarto tipo de neutrino, conocido como "estéril".

En 2007, investigadores del MiniBooNE anunciaron que sus experimentos sobre neutrinos no producen oscilaciones similares a las observadas en LSND. Asimismo, asumieron que el mismo resultado sería válido para antineutrinos.

MiniBooNE luego cambió a modo de antineutrino y los datos fueron recogidos durante los siguientes tres años. El equipo de investigación no tuvo todos los datos hasta principios de este año, entonces se sorprendieron al encontrar más oscilaciones de lo que cabría esperar a partir de sólo tres tipos de neutrinos, el mismo resultado que LSND.

Ya, los físicos teóricos están publicando documentos en línea con teorías para tratar de esclarecer los nuevos resultados. Sin embargo, "no hay una explicación clara e inmediata", dice Karsten Heeger, físico de neutrinos en la Universidad de Wisconsin. "De ‘las uñas hacia abajo’ (sic), necesitamos más datos de MiniBooNE, y entonces necesitaremos, experimentalmente, comprobarlos de una manera diferente."

El equipo MiniBooNE planea reunir datos antineutrino por otros 18 meses. Conrad también espera lanzar un nuevo experimento que utiliza un ciclotrón, un tipo de acelerador de partículas en el que las partículas viajan en un círculo en lugar de una línea recta, para ayudar a confirmar o refutar los resultados MiniBooNE.

(1)La simetría CP se basa en la composición de la simetría C y la simetría P. La primera afirma que las leyes de la física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa. La simetría P dice que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo. La simetría CP es una suma de ambas. (http://es.wikipedia.org/wiki/Violaci%C3%B3n_CP)

(2) Galón. Medida de capacidad para líquidos, usada en Gran Bretaña, donde equivale a algo más de 4.546 L y en América del Norte, donde equivale a 3.785 L (http://buscon.rae.es/draeI/SrvltGUIBusUsual?TIPO_HTML=2&TIPO_BUS=3&LEMA=gal%F3n)


Fuente: New evidence that matter and antimatter may behave differently por Jorge Franchín el 31/08/2010 04:09:00 PM (http://www.scitech-news.com/2010/08/new-evidence-that-matter-and-antimatter.html), Massachusetts Institute of Technology


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