El NOνA ( Ñumí Off-Axis ν e experimento Apariencia) es una física de partículas experimento diseñado para detectar neutrinos en Fermilab 's Ñumí (neutrinos en el Inyector Principal) de haz . Destinado a ser el sucesor de MINOS , NOνA consta de dos detectores, uno en Fermilab (el detector cercano ) y otro en el norte de Minnesota (el detector lejano ). Los neutrinos de NuMI atraviesan 810 km de la Tierra para llegar al detector lejano. El objetivo principal de NOνA es observar la oscilaciónde neutrinos muónicos a neutrinos electrónicos. Los principales objetivos de la física de NOvA son: [1]
- Medición precisa, para neutrinos y antineutrinos, del ángulo de mezcla θ 23 , especialmente si es mayor, menor o igual a 45 °
- Medición precisa, para neutrinos y antineutrinos, de la división de masa asociada Δm 2 32
- Fuertes restricciones en la fase de infracción de CP δ
- Fuertes restricciones en la jerarquía de masas de neutrinos
Organización | Colaboración NOvA |
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Localización | Ash River, Minnesota, Estados Unidos |
Coordenadas | 48 ° 22′45 ″ N 92 ° 50′1 ″ O / 48.37917 ° N 92.83361 ° WCoordenadas : 48 ° 22′45 ″ N 92 ° 50′1 ″ O / 48.37917 ° N 92.83361 ° W |
Sitio web | novaexperiment |
Ubicación del experimento NOvA Neutrino | |
Objetivos de física
Objetivos primarios
La oscilación de neutrinos está parametrizada por la matriz de PMNS y las diferencias de masa al cuadrado entre los estados propios de la masa de neutrinos . Suponiendo que tres sabores de neutrinos participan en la mezcla de neutrinos, hay seis variables que afectan la oscilación de neutrinos: los tres ángulos θ 12 , θ 23 y θ 13 , una fase de violación de CP δ y dos de las tres diferencias de masa al cuadrado. Actualmente no hay ninguna razón teórica convincente para esperar un valor particular o una relación entre estos parámetros.
θ 23 y θ 12 se han medido para ser distinto de cero por varios experimentos, pero la búsqueda sensible más para que no sea cero θ 13 por la colaboración Chooz produjo solamente un límite superior. En 2012, θ 13 se midió en Daya Bay como distinto de cero con una significancia estadística de 5,2 σ . [2] Al año siguiente, T2K descubrió la transiciónexcluyendo la hipótesis de no aparición con una significancia de 7,3 σ . [3] No se ha realizado ninguna medición de δ . Se conocen los valores absolutos de dos diferencias de masa al cuadrado, pero debido a que una es muy pequeña en comparación con la otra, no se ha determinado el orden de las masas.
NOνA es un orden de magnitud más sensible a θ 13 que la generación anterior de experimentos, como MINOS . Lo medirá buscando la transición.en el haz de Fermilab NuMI . Si NOνA puede resolver un valor distinto de cero de θ 13 , será posible obtener medidas de δ y el orden de masa observando tambiénEl parámetro δ se puede medir porque modifica las probabilidades de oscilación de manera diferente para neutrinos y antineutrinos. El ordenamiento de masas, de manera similar, se puede determinar porque los neutrinos atraviesan la Tierra, lo que, a través del efecto RSU , modifica las probabilidades de oscilación de manera diferente para neutrinos y antineutrinos. [4]
Importancia
Las masas de neutrinos y los ángulos de mezcla son, a nuestro leal saber y entender, constantes fundamentales del universo. Medirlos es un requisito básico para nuestra comprensión de la física. Conocer el valor del parámetro de violación de CP δ nos ayudará a comprender por qué el universo tiene una asimetría materia-antimateria . Además, de acuerdo con la teoría del mecanismo de balancín , las masas muy pequeñas de neutrinos pueden estar relacionadas con masas muy grandes de partículas que aún no tenemos la tecnología para estudiar directamente. Las mediciones de neutrinos son una forma indirecta de estudiar la física a energías extremadamente altas. [4]
En nuestra teoría actual de la física, no hay ninguna razón por la que los ángulos de mezcla de neutrinos deban tener valores particulares. Y, sin embargo, de los tres ángulos de mezcla de neutrinos, solo θ 12 se ha resuelto como ni máximo ni mínimo. Si las mediciones de NOνA y otros experimentos futuros continúan mostrando θ 23 como máximo y θ 13 como mínimo, puede sugerir alguna simetría de la naturaleza aún desconocida. [4]
Relación con otros experimentos
NOνA puede potencialmente resolver la jerarquía de masas porque opera a una energía relativamente alta. De los experimentos que se están ejecutando actualmente, tiene el alcance más amplio para realizar esta medición sin ambigüedades con la menor dependencia del valor de δ . Muchos experimentos futuros que buscan realizar mediciones precisas de las propiedades de los neutrinos se basarán en la medición de NOνA para saber cómo configurar su aparato para lograr la mayor precisión y cómo interpretar sus resultados.
Un experimento similar a NOνA es T2K , un experimento de haz de neutrinos en Japón similar a NOνA. Como NOνA, está destinado a medir θ 13 y δ . Tendrá una línea de base de 295 km y utilizará neutrinos de menor energía que NOνA, alrededor de 0,6 GeV. Dado que los efectos de la materia son menos pronunciados tanto a energías más bajas como a líneas de base más cortas, no puede resolver el orden de masa para la mayoría de los valores posibles de δ . [5]
La interpretación de los experimentos de desintegración beta doble sin neutrinos también se beneficiará de conocer el orden de masas, ya que la jerarquía de masas afecta la vida útil teórica de este proceso. [4]
Los experimentos de reactores también tienen la capacidad de medir θ 13 . Si bien no pueden medir δ o el orden de masa, su medición del ángulo de mezcla no depende del conocimiento de estos parámetros. Los tres experimentos que han medido un valor para θ 13 , en orden decreciente de sensibilidad son Daya Bay en China, RENO en Corea del Sur y Double Chooz en Francia, que utilizan líneas de base de 1-2 km, optimizadas para la observación del primer θ 13 - máxima oscilación controlada. [6]
Objetivos secundarios
Además de sus principales objetivos físicos, NOνA podrá mejorar las mediciones de los parámetros de oscilación ya medidos. NOνA, como MINOS , es muy adecuado para detectar neutrinos muónicos y, por lo tanto, podrá refinar nuestro conocimiento de θ 23 .
El detector cercano NOνA se utilizará para realizar mediciones de secciones transversales de interacción de neutrinos que actualmente no se conocen con un alto grado de precisión. Sus mediciones en esta área complementarán otros experimentos próximos similares, como MINERνA , que también utiliza el haz NuMI . [7]
Dado que es capaz de detectar neutrinos de supernovas galácticas , NOνA formará parte del Sistema de Alerta Temprana de Supernovas . Los datos de supernova de NOνA pueden correlacionarse con los de Super-Kamiokande para estudiar los efectos de la materia en la oscilación de estos neutrinos. [4]
Diseño
Para lograr sus objetivos físicos, NOνA debe ser eficiente en la detección de neutrinos de electrones, que se espera que aparezcan en el haz de NuMI (originalmente hecho solo de neutrinos de muones) como resultado de la oscilación de neutrinos.
Experimentos previos con neutrinos, como MINOS , han reducido los fondos de los rayos cósmicos al estar bajo tierra. Sin embargo, NOνA está en la superficie y se basa en información de tiempo precisa y una energía de haz bien definida para reducir los recuentos de fondo espurios. Está situado a 810 km del origen del haz NuMI y 14 milirradianes (12 km) al oeste del eje central del haz. En esta posición, muestrea un haz que tiene una distribución de energía mucho más estrecha que si estuviera ubicado en el centro, lo que reduce aún más el efecto de los fondos. [4]
El detector está diseñado como un par de detectores de centelleo líquido de grano fino. El detector cercano está en Fermilab y toma muestras del haz [ comprobar ortografía ] sin oscilar . El detector lejano se encuentra en el norte de Minnesota y consta de unas 500.000 células, cada una de 4 cm × 6 cm × 16 m, llenas de centelleador líquido . Cada celda contiene un bucle de cable de fibra óptica desnudo para recolectar la luz de centelleo, ambos extremos de los cuales conducen a un fotodiodo de avalancha para su lectura.
El detector cercano tiene el mismo diseño general, pero solo tiene aproximadamente 1 ⁄ 200 de la masa. Este detector de 222 toneladas está construido con 186 planos de celdas llenas de centelleo (6 bloques de 31 planos) seguidos de un receptor de muones . Aunque todos los planos son idénticos, los primeros 6 se utilizan como región de veto; Se supone que las lluvias de partículas que comienzan en ellos no son neutrinos y se ignoran. Los siguientes 108 planos sirven como región fiducial; Las lluvias de partículas que comienzan en ellos son interacciones de neutrinos de interés. Los 72 planos finales son una "región de contención de la lluvia" que observa la porción final de las lluvias de partículas que comenzaron en la región fiducial. Por último, se construye una región de "receptor de muones" de 1,7 metros de largo con placas de acero intercaladas con 10 planos activos de centelleador líquido.
Colaboración
El experimento NOνA incluye científicos de un gran número de instituciones. Diferentes instituciones asumen diferentes tareas. La colaboración, y sus subgrupos, se reúne periódicamente vía telefónica para reuniones semanales y en persona varias veces al año. Las instituciones participantes a abril de 2018 son: [9]
- Laboratorio Nacional Argonne
- Universidad del Atlantico
- Universidad hindú de Banaras
- Instituto de Tecnología de California
- Universidad de Ciencia y Tecnología de Cochin
- Instituto de Ciencias de la Computación de la Academia de Ciencias de la República Checa
- Instituto de Física de la Academia de Ciencias de la República Checa
- Universidad Charles de Praga , Facultad de Matemáticas y Física, Instituto de Física de Partículas y Nuclear
- Universidad de Cincinnati
- Universidad Estatal de Colorado
- Universidad Técnica Checa
- Universidad de dallas
- Universidad de Delhi
- Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Dubna
- Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi
- Universidade Federal de Goias
- Instituto de Tecnología de Illinois
- Instituto Indio de Tecnología Guwahati
- Universidad Harvard
- Instituto Indio de Tecnología de Hyderabad
- Universidad de Hyderabad
- Universidad de Indiana
- Universidad del Estado de Iowa
- Universidad de California, Irvine
- Universidad de Jammu
- Instituto de Física Lebedev
- University College de Londres
- Universidad del estado de michigan
- Universidad de Minnesota, Duluth
- Universidad de Minnesota, Minneapolis
- Instituto Nacional de Educación e Investigación Científica, Bhubaneswar, India
- Instituto de Investigaciones Nucleares , Moscú
- Universidad de Panjab
- Universidad de Pittsburgh
- Universidad de Alabama del Sur
- Universidad de Carolina del Sur, Columbia
- Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur
- Universidad Metodista del Sur
- Universidad Stanford
- Universidad de Sussex
- Universidad de Tennessee, Knoxville
- Universidad de Texas, Austin
- Universidad de Tufts
- Universidad de Virginia, Charlottesville
- Universidad Estatal de Wichita
- Universidad Estatal de Winona
- El colegio de William y Mary
Historial de financiación
A finales de 2007, NOνA aprobó una revisión de la "Decisión crítica 2" del Departamento de Energía , lo que significa aproximadamente que su diseño, costo, cronograma y objetivos científicos habían sido aprobados. Esto también permitió que el proyecto se incluyera en la solicitud de presupuesto del Congreso del Departamento de Energía. (NOνA aún requería una revisión de "Decisión crítica 3" para comenzar la construcción).
El 21 de diciembre de 2007, el presidente Bush firmó un proyecto de ley de gastos generales , HR 2764, que recortó la financiación para la física de altas energías en 88 millones de dólares del valor esperado de 782 millones de dólares. [10] El presupuesto de Fermilab se redujo en 52 millones de dólares. [11] Este proyecto de ley declaró explícitamente que "dentro de los fondos para la física basada en el acelerador de protones, no se proporcionan fondos para la actividad NOνA en las mejoras del complejo Tevatron". [12] [13] Entonces, aunque el proyecto NOνA retuvo su aprobación tanto del Departamento de Energía como del Fermilab, el Congreso dejó a NOνA sin fondos para el año fiscal 2008 para construir su detector, pagar a su personal o continuar en la búsqueda de resultados científicos. Sin embargo, en julio de 2008, el Congreso aprobó, y el Presidente firmó, un proyecto de ley de presupuesto suplementario, [14] que incluía fondos para NOνA, permitiendo que la colaboración reanudara su trabajo.
El prototipo de detector cercano NOνA (Detector cercano en superficie, o NDOS) comenzó a funcionar en Fermilab en noviembre y registró sus primeros neutrinos del haz NuMI el 15 de diciembre de 2010. [15] Como prototipo, NDOS sirvió bien a la colaboración para establecer un uso caso y sugiriendo mejoras en el diseño de los componentes del detector que luego se instalaron como un detector cercano en Fermilab, y un detector lejano en Ash River, MN ( 48 ° 22′45 ″ N 92 ° 49′54 ″ O / 48.37912 ° N 92.83164 ° W / 48.37912; -92.83164 ( Detector de distancia NOνA )).
Una vez que se completó la construcción del edificio NOvA, comenzó la construcción de los módulos detectores. El 26 de julio de 2012 se instaló el primer módulo. La colocación y pegado de los módulos continuó durante un año hasta que se llenó la sala de detectores.
La primera detección se produjo el 11 de febrero de 2014 y la construcción se completó en septiembre de ese año. El pleno funcionamiento comenzó en octubre de 2014. [16]
Referencias
- ^ Radovic, Alexander (12 de enero de 2018). "Últimos resultados de oscilación de NOvA de NOvA" (Física teórica experimental conjunta) . Base de datos de documentos NOvA . Femilab . Consultado el 30 de marzo de 2018 .
- ^ "Observación de la desaparición de electrones-antineutrinos en Daya Bay". Cartas de revisión física . 108 : 171803. 8 de marzo de 2012. arXiv : 1203.1669 . Código bibliográfico : 2012PhRvL.108q1803A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.108.171803 . PMID 22680853 .
- ^ Abe, K .; et al. (Colaboración T2K) (16 de abril de 2014). "Observación de la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos". arXiv : 1311,4750 .
- ^ a b c d e f Ayres, DS; et al. (Colaboración NOνA). "Propuesta de NOνA para construir un detector fuera del eje de 30 kilotones para estudiar las oscilaciones de neutrinos en la línea de luz de Fermilab NuMI ". arXiv : hep-ex / 0503053 .
- ^ "Experimento de oscilación de neutrinos en JHF" (PDF) . La Colaboración T2K (Carta de Intención). JHF. 21 de enero de 2003.
- ^ Cao, J. (27 de septiembre de 2005). "Experimento de neutrinos de Daya Bay". arXiv : hep-ex / 0509041 .
- ^ McFarland, K .; et al. (Colaboración MINERνA). "MINERvA: un experimento de dispersión de neutrinos dedicado en NuMI". arXiv : física / 0605088 .
- ^ "Descripción general del detector" . fnal.gov . NOνA. Fermilab.
- ^ Página web de NOνA: The NOvA Collaboration , consultado el 2 de abril de 2018
- ^ "Cierre del ciclo presupuestario con resultados científicos decepcionantes del DOE" . FYI Número 121. Instituto Americano de Física. 18 de diciembre de 2007 . Consultado el 21 de diciembre de 2007 .
- ^ Working, Russell (20 de diciembre de 2007). "El presupuesto de Fermilab se redujo drásticamente en $ 52 millones, es probable que se produzcan despidos" . Chicago Tribune . Archivado desde el original el 24 de diciembre de 2007 . Consultado el 21 de diciembre de 2007 .
- ^ "Enmiendas de la Cámara a la Enmienda del Senado a HR 2764 - Ley de Apropiaciones de Programas Estatales, de Operaciones Extranjeras y Programas Relacionados, 2008" (PDF) . División C - Energía y Agua. Ley de Asignaciones Consolidadas de 2008. pág. 39 (PDF página 79. Archivado desde el original (PDF) el 26 de diciembre de 2007. Consultado el 21 de diciembre de 2007 .
- ^ "Página de índice de toda la Enmienda" . HR 2764. Archivado desde el original el 26 de diciembre de 2007.
- ^ Minkel, JR (7 de julio de 2008). "Fermilab salvado del tajo - por ahora" . Scientific American .
- ^ "Primeros neutrinos para el detector de prototipos NOvA" . Fermilab hoy . 21 de diciembre de 2010. p. 1 . Consultado el 22 de diciembre de 2010 .
- ^ "Experimento de neutrinos de 500 millas de Fermilab en funcionamiento" . Interacciones NewsWire. 6 de octubre de 2014.
enlaces externos
- Sitio web oficial de NOνA
- Artículo "NOνA: un experimento de aparición de neutrinos" en la revista Symmetry
- Fotos de la construcción del detector NOνA