Los neutrones fríos de alta intensidad profundizan en la asimetría entre materia-antimateria
El European Spallation Source (ESS) es un laboratorio internacional multidisciplinar que se está construyendo con la colaboración de trece países europeos. Con sede en Lund (Suecia) y Copenhague (Dinamarca), albergará la fuente de neutrones impulsada por acelerador más potente del mundo. El ESS debe proporcionar una visión profunda de la estructura y el comportamiento de los materiales en los niveles más pequeños. La capacidad de los neutrones para penetrar profundamente en los materiales, así como su sensibilidad a elementos ligeros como el hidrógeno y el litio, los hacen ideales para estudiar muestras frágiles. Esto abre nuevas vías de investigación en la ciencia de los materiales, la química, la biología estructural y la física de partículas fundamentales.
Planificación de una segunda fuente de neutrones
A partir de 2027, el equipo del ESS tiene previsto poner en marcha un programa de usuarios que incluirá hasta quince instrumentos de dispersión de neutrones. «El criterio primordial para diseñar la fuente inicial fue lograr un brillo de neutrones excepcionalmente elevado. Pero la visión del ESS no se detiene ahí. Su diseño flexible permite integrar una segunda fuente de neutrones», señala Valentina Santoro, coordinadora del proyecto HighNESS, financiado con fondos europeos. Esta fuente adicional tendrá características complementarias para suministrar neutrones fríos de alta intensidad, caracterizados por bajas energías para examinar estructuras atómicas. También generará neutrones de energías aún más bajas, denominados neutrones muy fríos (VCN, por sus siglas en inglés) y neutrones ultrafríos, lo que amplía el alcance de las capacidades de investigación. «Estas nuevas capacidades harán posible proyectos de física fundamental ambiciosos, como la búsqueda de la oscilación neutrón-antineutrón, que podría resolver uno de los misterios más importantes del universo: la asimetría entre materia-antimateria», explica Santoro. Para ello, el principal objetivo de HighNESS era diseñar una segunda fuente de neutrones complementaria a la fuente biespectral de alto brillo situada sobre el blanco de espalación. Esta nueva fuente servirá a los futuros instrumentos de dispersión de neutrones previstos para el ESS. «Nuestra propuesta incluía un caso científico en el que intervenían varias técnicas de dispersión de neutrones, incluido el experimento NNBAR, que trata de detectar la oscilación neutrón-antineutrón», afirma Santoro. «Sin una fuente que proporcione una intensidad varias veces superior a la del actual moderador del ESS, nuestros objetivos científicos no serían factibles», destaca Santoro. «El deuterio líquido, utilizado durante décadas en reactores y fuentes continuas de espalación, demostró ser la única opción viable para una fuente de este tipo». El diseño final proporcionó una intensidad diez veces superior a la de la fuente del ESS actual, crucial para que el experimento NNBAR alcanzara los niveles de sensibilidad previstos. Además, la fuente fría presenta una superficie de emisión ampliada en comparación con el moderador superior, que se ha utilizado en el diseño de innovadores instrumentos de dispersión de neutrones que superarán a los que se están construyendo en el ESS.
Superar los retos
La ambición de desarrollar una fuente intensa de VCN se ha extendido durante más de dos décadas, afrontando obstáculos debidos principalmente a un conocimiento limitado de las propiedades de los materiales de baja temperatura, considerados candidatos prometedores para una fuente de este tipo. Para hacer frente a esta situación, el equipo de HighNESS ha desarrollado bibliotecas de datos nucleares esenciales para realizar simulaciones fiables y diseñar fuentes de neutrones. Este desarrollo supone un gran avance en el diseño de fuentes y ahora es accesible a la comunidad, ya que se adhiere a una política de código abierto. En HighNESS también se facilitó la colaboración con NNBAR para lograr el doble de las sensibilidades previstas que las propuestas originalmente, mediante el diseño de una fuente fría de alto rendimiento, un nuevo sistema óptico y estudios de detectores. «En resumen, hemos desarrollado una fuente que posiciona al ESS como la fuente de neutrones más versátil del mundo, reforzando aún más el liderazgo de Europa en la ciencia de neutrones», concluye Santoro.
Palabras clave
HighNESS, ESS, neutrones fríos, NNBAR, asimetría entre materia-antimateria, oscilación neutrón-antineutrón, European Spallation Source
