L’IFIC desenvolupa el ‘termòmetre’ més precís del món per a experiments de física de partícules

  • Fundacions i entitats associades
  • July 11st, 2018
 
ProtoDune IFIC
ProtoDune IFIC

Científics de l'Institut de Física Corpuscular (centre mixt de la Universitat de València i el CSIC) instal·len en el CERN un sistema extremadament sensible per a mesurar la temperatura del ProtoDUNE, prototip a gran escala del DUNE, un dels majors experiments en física de neutrins del món. Es tracta del termòmetre més gran i precís creat per a experiments de física de partícules.

Els experiments de física de partícules són les Olimpíades de la ciència: exigeixen que la tecnologia sempre vaja un pas més enllà. En lloc de el ‘citius, altius, fortius’ llatí (més ràpid, més alt, més fort), aquests experiments, que tracten de desentranyar de què està fet l'Univers, han de ser els més grans i precisos del seu gènere. Al CERN es construeixen dos prototips a gran escala d'un dels majors experiments en física de neutrins del món, DUNE. Per a funcionar requereixen tones d’argó líquid la temperatura del qual ha de ser homogènia. I per a comprovar que així siga, un equip de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC) –Centre d'Excel·lència Severo Ochoa de la Universitat de València i el CSIC, en el Parc Científic de la institució acadèmica– ha desenvolupat un instrument que mesura aquesta temperatura amb una precisió de fins a tres mil·lèsimes de grau.

ProtoDUNE consisteix en dos grans contenidors separats en forma de cub d'uns 8 metres d'alt que contenen 800 tones d’argó líquid cadascun, on se submergeixen uns detectors molt precisos capaços de veure en 3D el pas de partícules carregades que els travessen. Se situen en les instal·lacions del CERN en Ginebra, Suïssa, i serveixen per a provar la tecnologia que s'emprarà en DUNE, un experiment que es desenvoluparà als Estats Units en la pròxima dècada i que utilitzarà el feix de neutrins més potent del món per a estudiar aquesta misteriosa partícula fonamental –el neutrí–, la més esmunyedissa de totes.

Per tal que l’argó (un gas a temperatura ambient) siga líquid, aquest ha d'aconseguir els 184 graus centígrads sota zero. Per a tal finalitat, s'han construït els criostats més grans creats fins hui, amb un volum intern de mig milió de litres. Però no n'hi ha prou amb mantenir l’argn en fase líquida: el correcte funcionament del detector exigeix que les variacions de temperatura dins del criostat estiguen per sota de dues centenes de grau, una diferència minúscula per a un volum tan gran.

Per a controlar açò, es requereix un sistema molt precís de mesurament de la temperatura, que ha sigut desenvolupat per un equip de científics i tècnics de l’IFIC. Es tracta d'una estructura de fibra de vidre de quasi 8 metres de llarg on s'insereixen 48 sensors de platí calibrats en el propi IFIC per a aconseguir una precisió en la mesura de la temperatura de fins a 2 mil·lèsimes de grau. Aquesta estructura està envoltada per una ‘gàbia de Faraday’, que protegeix al sistema de l'enorme camp elèctric (70.000 volts) prop del que està situat.

“Es tracta del sistema de mesurament de temperatura més gran i precís que s'ha desenvolupat per a aquest tipus d'experiments en física de partícules”, assegura Anselmo Cervera Villanueva, científic titular del CSIC a l’IFIC i responsable del seu desenvolupament. El sistema de criogenia del Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), que distribueix heli superfluid a -271,3 °C per l'anell d'accelerador per a refrigerar els imants superconductors, no requereix aquest nivell de precisió.

El propi CERN és responsable del sistema criogènic de ProtoDUNE i dels criostats dels dos prototips, sent fonamental la seua col·laboració amb l’IFIC per al desenvolupament sistema de mesura de la temperatura, que es va instal·lar a finals de juny.

Aquest sistema forma part de la contribució de l’IFIC a l'experiment DUNE, on col·laboren més d'1.000 científics de 175 institucions en 32 països al costat del CERN. A més de desenvolupar el sistema de monitoratge de temperatura d'almenys els 2 primers detectors de DUNE (dels quatre previstos), amb 10.000 tones d’argó líquid cadascun, l’IFIC coordina el control de la resta de paràmetres del criostat. A més, l’Institut ha coordinat un grup de treball en DUNE per a mesurar la desintegració del protó, estudiant la sensibilitat de l'experiment per a observar aquest procés encara no detectat. I desenvolupa eines per a l'anàlisi de dades de DUNE i els seus prototips, així com en el disseny i futura instal·lació del sistema de detecció de llum d'un dels quatre gran detectors de l'experiment.

L'Institut realitza, a més, simulacions sobre la capacitat de DUNE per a determinar paràmetres encara desconeguts, com el que codifica la possible diferència de comportament entre neutrins i antineutrins, clau per a entendre per què l'Univers està fet de matèria i no d'antimatèria. DUNE estudiarà les interaccions dels feixos de neutrins enviats amb una intensitat i precisió sense precedents des de Fermilab (prop de Chicago) fins al laboratori subterrani de Sanford (Dakota del Sud) per a entendre els canvis que pateixen aquestes partícules quan viatgen d'un punt a un altre (1.300 quilòmetres) en un obrir i tancar d'ulls. Açò permetrà cercar respostes a preguntes fonamentals de la física actual.

A més d'estudiar amb detall les oscil·lacions entres els tres tipus de neutrins coneguts, és a dir el canvi que realitzen durant el seu viatge per l'espai, DUNE comprovarà l'existència d'un altre tipus de neutrí més pesat però amb interaccions encara més febles que els coneguts fins ara, l'anomenat ‘neutrí estèril’. DUNE també podria desentranyar la naturalesa de les misterioses partícules que formen la matèria fosca de l'Univers, que podrien produir-se juntament amb els neutrins en el feix produït en Fermilab i ser descobertes en un detector proper. També podrà observar els neutrins produïts en explosions estel·lars (supernoves), revelant la formació d'estels de neutrons i forats negres, i investigarà si els protons viuen per sempre o es desintegren en altres partícules, acostant-nos a la realització del somni d'Einstein: la Teoria de la Gran Unificació.

This website uses proprietary and third-party cookies for technical purposes, traffic analysis and to facilitate insertion of content in social networks on user request. If you continue to browse, we consider that you are accepting its use. For more information please consult ourcookies policy