Observatorio de neutrinos de Sudbury
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El Observatorio de Neutrinos de Sudbury ( SNO ) fue un observatorio de neutrinos situado 2.100 metros bajo tierra en Vale 's mina Creighton en Sudbury , Ontario , Canadá. El detector fue diseñado para detectar neutrinos solares a través de sus interacciones con un gran tanque de agua pesada .
El detector se encendió en mayo de 1999 y se apagó el 28 de noviembre de 2006. La colaboración SNO estuvo activa durante varios años después de analizar los datos tomados.
El director del experimento, Art McDonald , fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2015 por la contribución del experimento al descubrimiento de la oscilación de neutrinos . [1]
El laboratorio subterráneo se ha ampliado a una instalación permanente y ahora opera múltiples experimentos como SNOLAB . El propio equipo SNO se está renovando actualmente para su uso en el experimento SNO + .
Motivación experimental
Las primeras mediciones del número de neutrinos solares que llegan a la Tierra se tomaron en la década de 1960, y todos los experimentos previos al SNO observaron entre un tercio y la mitad menos de neutrinos que los previstos por el Modelo Solar Estándar . Como varios experimentos confirmaron este déficit, el efecto se conoció como el problema de los neutrinos solares . Durante varias décadas se propusieron muchas ideas para tratar de explicar el efecto, una de las cuales fue la hipótesis de las oscilaciones de neutrinos . Todos los detectores de neutrinos solares anteriores al SNO habían sido sensibles principal o exclusivamente a los neutrinos electrónicos y no proporcionaban información sobre neutrinos muónicos y neutrinos tau .
En 1984, Herb Chen de la Universidad de California en Irvine señaló por primera vez las ventajas de usar agua pesada como detector de neutrinos solares. [2] A diferencia de los detectores anteriores, el uso de agua pesada haría que el detector fuera sensible a dos reacciones, una reacción sensible a todos los sabores de neutrinos, la otra reacción sensible a sólo neutrinos electrónicos. Por lo tanto, dicho detector podría medir directamente las oscilaciones de neutrinos. Una ubicación en Canadá era atractiva porque Atomic Energy of Canada Limited , que mantiene grandes reservas de agua pesada para respaldar sus centrales eléctricas de reactores CANDU , estaba dispuesta a prestar la cantidad necesaria (por valor de C $ 330.000.000 a precios de mercado) sin costo alguno.[3] [4]
La mina Creighton en Sudbury se encuentra entre las más profundas del mundo y, en consecuencia, experimenta un flujo de radiación de fondo muy pequeño. Rápidamente se identificó como un lugar ideal para la construcción del experimento propuesto por Chen, [3] y la administración de la mina estaba dispuesta a hacer que la ubicación estuviera disponible solo por costos incrementales. [5] : 440
La colaboración de SNO celebró su primera reunión en 1984. En ese momento, competía con la propuesta de KAON Factory de TRIUMF para obtener fondos federales, y la amplia variedad de universidades que respaldaban a SNO lo llevó rápidamente a ser seleccionado para su desarrollo. El visto bueno oficial se dio en 1990.
El experimento observó la luz producida por electrones relativistas en el agua creada por interacciones de neutrinos. A medida que los electrones relativistas viajan a través de un medio, pierden energía produciendo un cono de luz azul a través del efecto Cherenkov , y es esta luz la que se detecta directamente.
Descripción del detector
El objetivo del detector SNO consistió en 1,000 toneladas (1,102 toneladas cortas ) de agua pesada contenida en un recipiente acrílico de 6 metros de radio (20 pies) . La cavidad del detector fuera del recipiente se llenó con agua normal para proporcionar tanto flotabilidad al recipiente como protección contra la radiación . El agua pesada fue vista por aproximadamente 9,600 tubos fotomultiplicadores (PMT) montados en una esfera geodésica en un radio de aproximadamente 850 centímetros (28 pies). La cavidad que albergaba el detector era la más grande del mundo a tal profundidad, [6] requiriendo una variedad de pernos de roca de alto rendimiento. técnicas para prevenir estallidos de rocas.
El observatorio está ubicado al final de una deriva de 1,5 kilómetros de largo (0,9 millas) , denominada "deriva SNO", que lo aísla de otras operaciones mineras. A lo largo de la deriva hay una serie de salas de operaciones y equipos, todas en un entorno de sala limpia . La mayor parte de la instalación es de Clase 3000 (menos de 3000 partículas de 1 μm o más por 1 pie 3 de aire), pero la cavidad final que contiene el detector es una Clase 100 aún más estricta . [3]
Interacción de corriente cargada
En la interacción de la corriente cargada , un neutrino convierte el neutrón de un deuterón en un protón . El neutrino se absorbe en la reacción y se produce un electrón. Los neutrinos solares tienen energías más pequeñas que la masa de los muones y los leptones tau , por lo que solo los neutrinos electrónicos pueden participar en esta reacción. El electrón emitido se lleva la mayor parte de la energía del neutrino, del orden de 5-15 MeV , y es detectable. El protón que se produce no tiene suficiente energía para ser detectado fácilmente. Los electrones producidos en esta reacción se emiten en todas las direcciones, pero hay una ligera tendencia a apuntar hacia atrás en la dirección de donde vino el neutrino.
Interacción de corriente neutra
En la interacción de la corriente neutra , un neutrino disocia el deuterón, rompiéndolo en su neutrón y protón constituyentes. El neutrino continúa con un poco menos de energía, y es igualmente probable que los tres sabores de neutrinos participen en esta interacción. El agua pesada tiene una sección transversal pequeña para los neutrones, pero cuando los neutrones son capturados por un núcleo de deuterio, un rayo gamma ( fotón) con aproximadamente 6 MeV de energía. La dirección del rayo gamma no está correlacionada en absoluto con la dirección del neutrino. Algunos de los neutrones producidos a partir de los deuterones disociados se abren paso a través del recipiente acrílico hacia la camisa de agua ligera que rodea al agua pesada, y dado que el agua ligera tiene una sección transversal muy grande para la captura de neutrones, estos neutrones se capturan muy rápidamente. En esta reacción se producen rayos gamma de aproximadamente 2,2 MeV, pero debido a que la energía de los fotones es menor que el umbral de energía del detector (lo que significa que no activan los fotomultiplicadores), no son directamente observables. Sin embargo, cuando el rayo gamma choca con un electrón a través de la dispersión de Compton, el electrón acelerado se puede detectar a través de la radiación de Cherenkov.
Dispersión elástica de electrones
En la interacción de dispersión elástica , un neutrino choca con un electrón atómico e imparte algo de su energía al electrón. Los tres neutrinos pueden participar en esta interacción mediante el intercambio del bosón Z neutro , y los neutrinos electrónicos también pueden participar en el intercambio de un bosón W cargado . Por esta razón, esta interacción está dominada por neutrinos de electrones, y este es el canal a través del cual el detector Super-Kamiokande (Super-K) puede observar neutrinos solares. Esta interacción es el equivalente relativista del billar., y por esta razón los electrones producidos suelen apuntar en la dirección en la que viajaba el neutrino (alejándose del sol). Debido a que esta interacción tiene lugar en electrones atómicos, ocurre con la misma velocidad tanto en el agua pesada como en la ligera.
Impacto y resultados experimentales
Los primeros resultados científicos de SNO se publicaron el 18 de junio de 2001, [7] [8] y presentaron la primera evidencia clara de que los neutrinos oscilan (es decir, que pueden transmutar entre sí) cuando viajan desde el Sol. Esta oscilación, a su vez, implica que los neutrinos tienen masas distintas de cero. El flujo total de todos los sabores de neutrinos medidos por SNO concuerda bien con las predicciones teóricas. Desde entonces, otras mediciones realizadas por SNO han confirmado y mejorado la precisión del resultado original.
Aunque Super-K había vencido a SNO hasta el final, habiendo publicado evidencia de oscilación de neutrinos ya en 1998, los resultados de Super-K no fueron concluyentes y no se ocuparon específicamente de los neutrinos solares. Los resultados de SNO fueron los primeros en demostrar directamente las oscilaciones en los neutrinos solares. Esto era importante para el modelo solar estándar . En 2007, el Instituto Franklin otorgó al director de SNO Art McDonald la Medalla Benjamin Franklin en Física. [9] En 2015, el Premio Nobel de Física fue otorgado conjuntamente a Arthur B. McDonald y Takaaki Kajita de la Universidad de Tokio, por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos. [10]
Otros posibles análisis
El detector SNO habría sido capaz de detectar una supernova dentro de nuestra galaxia si hubiera ocurrido una mientras el detector estaba en línea. Como los neutrinos emitidos por una supernova se liberan antes que los fotones, es posible alertar a la comunidad astronómica antes de que la supernova sea visible. SNO fue miembro fundador del Sistema de Alerta Temprana de Supernova (SNEWS) con Super-Kamiokande y el Detector de Gran Volumen . Aún no se han detectado tales supernovas.
El experimento SNO también pudo observar neutrinos atmosféricos producidos por interacciones de rayos cósmicos en la atmósfera. Debido al tamaño limitado del detector SNO en comparación con Super-K, la señal de neutrinos de rayos cósmicos bajos no es estadísticamente significativa a energías de neutrinos por debajo de 1 GeV .
Instituciones participantes
Los experimentos de física de partículas grandes requieren grandes colaboraciones. Con aproximadamente 100 colaboradores, SNO era un grupo bastante pequeño en comparación con los experimentos de colisionadores . Las instituciones participantes han incluido:
Canadá
- Universidad de Carleton
- Universidad Laurentian
- Queen's University : diseñó y construyó muchas fuentes de calibración y el dispositivo para implementar fuentes
- TRIUMF
- Universidad de Columbia Britanica
- Universidad de Guelph
Aunque ya no es una institución colaboradora, Chalk River Laboratories dirigió la construcción del recipiente acrílico que contiene el agua pesada, y Atomic Energy of Canada Limited fue la fuente del agua pesada.
Reino Unido
- Universidad de Oxford : desarrolló gran parte del programa de análisis de Monte Carlo del experimento (SNOMAN) y mantuvo el programa
- Universidad de Sussex - Calibración
Estados Unidos
- Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL): lideró la construcción de la estructura geodésica que contiene los PMT
- Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL)
- Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL)
- Universidad de Pensilvania : diseñó y construyó la electrónica y el gatillo de la parte delantera
- Universidad de Washington : diseñó y construyó contratubos proporcionales para la detección de neutrones en la tercera fase del experimento.
- Laboratorio Nacional Brookhaven
- Universidad de Texas en Austin
- Instituto de Tecnología de Massachusetts
Honores y premios
- El asteroide 14724 SNO recibe su nombre en honor a SNO.
- En noviembre de 2006, todo el equipo de SNO recibió el premio inaugural John C. Polanyi por "un avance destacado reciente en cualquier campo de las ciencias naturales o la ingeniería" realizado en Canadá . [11]
- El investigador principal de SNO, Arthur B. McDonald, ganó el Premio Nobel de Física en 2015 , junto con Takaaki Kajita de Kamiokande , por el descubrimiento de la oscilación de neutrinos.
- SNO recibió el Premio de Física Fundamental 2016 junto con otros 4 experimentos con neutrinos.
Ver también
- DEAP - Experimento de materia oscura con forma de pulso de argón en la ubicación de SNO
- Experimento Homestake : un experimento anterior realizado entre 1970 y 1994 en una mina en Lead, Dakota del Sur.
- SNO + - El sucesor de SNO
- SNOLAB : un laboratorio de física subterráneo permanente que se está construyendo alrededor de SNO
Referencias
Coordenadas : 46 ° 28'30 "N 81 ° 12'04" W / 46.47500 ° N 81.20111 ° W / 46,47500; -81.20111 [12]
- ^ "Premio Nobel de Física 2015: el canadiense Arthur B. McDonald comparte ganar con Takaaki Kajita de Japón" . CBC News . 2015-10-06.
- ^ Chen, Herbert H. (septiembre de 1984). "Enfoque directo para resolver el problema de los neutrinos solares". Cartas de revisión física . 55 (14): 1534-1536. Código Bibliográfico : 1985PhRvL..55.1534C . doi : 10.1103 / PhysRevLett.55.1534 . PMID 10031848 .
- ^ a b c "El Observatorio de Neutrinos de Sudbury - el ojo de Canadá en el universo" . Mensajero del CERN . CERN . 4 de diciembre de 2001 . Consultado el 4 de junio de 2008 .
- ^ "Agua pesada" . 31 de enero de 2006 . Consultado el 3 de diciembre de 2015 .
- ^ Jelley, Nick; McDonald, Arthur B .; Robertson, RG Hamish (2009). "El Observatorio de Neutrinos de Sudbury" (PDF) . Revisión anual de ciencia nuclear y de partículas . 59 (1): 431–65. Código Bibliográfico : 2009ARNPS..59..431J . doi : 10.1146 / annurev.nucl.55.090704.151550 . Una buena retrospectiva del proyecto.
- ^ Cervecero, Robert. "Esfera profunda: el diseño estructural único del Observatorio de Neutrinos de Sudbury enterrado dentro de la tierra" . Ingeniero Consultor Canadiense .
- ^ Ahmad, QR; et al. (2001). "Medición de la tasa de ν e + d → p + p + e - Interacciones producidas por 8 neutrinos solares B en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury". Cartas de revisión física . 87 (7): 071301. arXiv : nucl-ex / 0106015 . Código bibliográfico : 2001PhRvL..87g1301A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.87.071301 . PMID 11497878 .
- ^ "Primeros resultados científicos del Observatorio de neutrinos de Sudbury" . 3 de julio de 2001 . Consultado el 4 de junio de 2008 .
- ^ "Arthur B. McDonald, Ph.D" . Base de datos de Franklin Laureate . Instituto Franklin . Archivado desde el original el 4 de octubre de 2008 . Consultado el 4 de junio de 2008 .
- ^ "El Premio Nobel de Física 2015" . Consultado el 6 de octubre de 2015 .
- ^ "Ganadores anteriores: el Observatorio de neutrinos de Sudbury" . NSERC . 3 de marzo de 2008 . Consultado el 4 de junio de 2008 .
- ^ Manual del usuario de SNOLAB Rev.2 (PDF) , 2006-06-26, p. 33 , consultado el 1 de febrero de 2013
enlaces externos
- Medios relacionados con el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Wikimedia Commons
- Sitio oficial de SNO
- Introducción de Joshua Klein a SNO, neutrinos solares y Penn en SNO
- "Experimento de la cueva" . Ciencia WIRED . Episodio 104. 2007-10-24. PBS .
- Escrito y dirigido por David Sington (2006-02-21). "La partícula fantasma" . Nova . Temporada 34. Episodio 3306 (607). PBS .
- Muestra de logros en ingeniería canadiense: Observatorio de neutrinos de Sudbury (IEEE Canadá). Varios artículos sobre la ingeniería civil de SNO.
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