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Molecule for low diffusion TPCs for rare event searches

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La observación de un Houdini cósmico en acción arrojará nueva luz sobre el enigmático neutrino

En teoría, todas las partículas de materia se corresponden con una partícula de antimateria. Sin embargo, se observa mucha más materia que antimateria. La hipótesis de que el misterioso neutrino pueda ser su propio antineutrino aborda esta asimetría y es posible que los datos la respalden pronto gracias a una capacidad de detección mejorada.

Investigación fundamental

Las teorías y los hallazgos experimentales del último siglo han ofrecido una buena cantidad de información sobre los (escasos) componentes fundamentales de nuestro universo, el material de lo que todo está hecho. El Modelo Estándar de la física de partículas, desarrollado en los años setenta del siglo pasado, es la descripción más completa que se tiene del mundo de las partículas. Con todo, el Modelo Estándar tiene algunas deficiencias importantes y reconocidas. Con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie (MSCA, por sus siglas en inglés), el proyecto MELODIC preparó el camino para completar algunas de estas lagunas con información única sobre los neutrinos, la materia y la antimateria y la física más allá del Modelo Estándar.

Ahora se ve, ahora no se ve

Las partículas y sus antipartículas tienen la misma masa, cargas iguales pero opuestas y, cuando están cerca, se aniquilan mutuamente. Esto tiene implicaciones interesantes para los neutrinos sin carga y, ahora, muchas personas creen que estas partículas enigmáticas pueden actuar como materia y como antimateria. Una de las mejores maneras de estudiar los antineutrinos es mediante la detección de la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ), sobre la que, hasta ahora, solo se había hipotetizado. La desintegración doble beta (2νββ), un fenómeno poco común que se ha observado en varios isótopos, provoca la emisión de dos electrones y dos neutrinos. Tal como comenta Neus López March, beneficiaria de la MSCA: «La 0νββ es un proceso hipotético en el que un núcleo atómico experimenta una desintegración radiactiva con la emisión de dos electrones y ningún neutrino. Esto solo sucede si el neutrino es su propio antineutrino y las dos partículas se aniquilan mutuamente. La observación de este proceso podría explicar por qué en el universo hay más materia que antimateria, una de las cuestiones no resueltas más importantes de la física de partículas».

La niebla se disipa

López March se propuso mejorar la capacidad de detección de la 0νββ en una cámara de proyección temporal (TPC, por sus siglas en inglés) de gas xenón a alta presión mediante la reducción de la difusión de electrones, mejorando así la resolución y el rechazo a eventos de fondo. La 0νββ puede detectarse midiendo la energía de los electrones liberados durante la desintegración de isótopo xenón-136 para ver si el total es exactamente 2,458 MeV, lo que significa que los neutrinos indetectables no arrastraron energía. «Aprovechamos el xenón dopado con helio para disminuir la difusión, basándonos en el hecho de que los electrones se enfrían mejor a través de colisiones elásticas con el helio que con el xenón. Esto evita que el rastro de ionización se convierta en una nube, lo que mejora la detección. Por último, el uso de una matriz de fotomultiplicadores de silicio proporcionó información topológica que permitía distinguir entre eventos de dos electrones y de un solo electrón», explica López March. Basándose en estos principios, el equipo de físicos e ingenieros mecánicos y electrónicos de March diseñó, construyó y operó el detector NEXT-DEMO++, un demostrador para el experimento NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) del IFIC, y lo logró durante la beca de investigación MSCA de dos años.

Todo listo para el siguiente paso

Los resultados preliminares del demostrador confirmaron que la difusión transversal triplica su reducción al dopar el xenón con helio al 15 %. Se está preparando una publicación. Esta mejora podría ser justo lo que se necesita para observar finalmente la desaparición de un neutrino doble y probar que los neutrinos también son antineutrinos, lo que cambiaría para siempre la descripción de nuestro universo de partículas.

Palabras clave

MELODIC, neutrino, xenón, materia, antimateria, desintegración doble beta, sin neutrinos, electrón, Modelo Estándar, antineutrino, Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT)

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