Dune del Fermilab enviará neutrinos a 800 millas de distancia para estudiar partículas fantasma

Los detectores de neutrinos de DUNE estarán ubicados a una milla bajo tierra en Dakota del Sur.
Matthew Kapost, Centro de Investigación Subterránea de Sanford

  • Los neutrinos son partículas diminutas que podrían contener secretos de algunos de los mayores misterios del universo.
  • El Proyecto DUNE espera aprender más sobre estas “moléculas fantasma” difíciles de estudiar.
  • Para ello, el proyecto enviará neutrinos a aproximadamente 800 millas entre Illinois y Dakota del Sur.

Hace casi siete años, las cuadrillas comenzaron a mover 800.000 toneladas de roca desde un sitio Antigua mina de oro Cerca de Lead, Dakota del Sur.

Las tres cavernas subterráneas resultantes tienen 500 pies de largo y son casi lo suficientemente largas como para albergar un edificio de siete pisos.

Se espera que el proyecto DUNE (Experimento de neutrinos subterráneos profundos) cueste al menos 3 mil millones de dólares y está dirigido por científicos del Departamento de Energía de Estados Unidos. Fermilab.

En última instancia, cada cueva contendrá 17.500 toneladas de argón líquido para ayudar a los físicos del Fermilab a detectar partículas esquivas conocidas como neutrinos, también conocidas como “partículas fantasma”.

Las excavaciones de la cueva en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur comenzaron en 2017.
Instalación de investigación subterránea de Sanford

Los neutrinos son partículas subatómicas que están a tu alrededor y pasan a través de ti sin que te des cuenta. El sol los crea. Las supernovas las crean. Incluso los plátanos producen neutrinos.

«Si levantas la mano, 10 mil millones de neutrinos del Sol pasan por tu mano» cada segundo, dijo a Business Insider la física y portavoz de DUNE Mary Pichai.

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Los neutrinos reciben el sobrenombre de partículas fantasma porque carecen de carga eléctrica y, por lo tanto, rara vez interactúan con cualquier cosa con la que entran en contacto.

Esto también los hace extremadamente difíciles de estudiar, pero los científicos insisten en que los neutrinos pueden contener la clave para descubrir los secretos del universo, desde lo que ocurrió justo después del Big Bang hasta la observación del nacimiento de un agujero negro.

Haz de neutrinos entre Illinois y Dakota del Sur

Los investigadores del Fermilab ICEBERG están examinando la electrónica fría que se utilizará en el proyecto DUNE.
Reidar Hahn/Fermilab

Es difícil estudiar una partícula que no emite radiación y que es más ligera que un electrón. «Las interacciones de neutrinos son como agujas en un pajar», dijo Pichai.

Los científicos del Fermilab quieren estudiar los neutrinos con un detalle sin precedentes, como nunca antes, utilizando DUNE.

Por eso DUNE tendrá el detector de neutrinos más grande de su tipo jamás creado.

Una vez completado, el experimento está diseñado para comenzar con una serie de… Aceleradores de partículas En Fermilab en las afueras de Chicago, Illinois.

Una de las cuevas que contendrá los detectores del proyecto DUNE.
Matthew Kapost, Centro de Investigación Subterránea de Sanford

Los aceleradores primero dispararán un haz de neutrinos extremadamente potente a través de un detector en el Fermilab. Luego, el haz viajará bajo tierra 800 millas hasta los detectores en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur.

En el camino, los neutrinos harán algo bastante extraño. Hay tres tipos de neutrinos y las partículas pueden alternar entre ellos, un fenómeno conocido como oscilación. Un científico del Fermilab lo comparó con un gato doméstico transformación A un jaguar y luego a un tigre antes de volver a su forma original.

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El seguimiento de cómo cambian los neutrinos a lo largo de estas largas distancias entre Illinois y Dakota del Sur ayudará a los científicos a comprender mejor estas oscilaciones al brindarles una visión más completa que el actual experimento NOvA de 500 millas del Fermilab entre Illinois y Minnesota.

El haz de neutrinos de DUNE viajará desde Fermilab a través de 800 millas de la Tierra hasta detectores remotos en las instalaciones subterráneas de investigación de Sanford.
Fermilab Dion

Hacer todo esto a un kilómetro y medio bajo tierra protege las pequeñas partículas oscilantes de los energéticos rayos cósmicos que caen sobre la superficie de la Tierra cada segundo y pueden interferir con los datos.

Resuelve los secretos del universo.

Los científicos esperan responder tres preguntas clave con DUNE: ¿por qué el universo está hecho de materia en lugar de antimateria, qué sucede cuando una estrella colapsa y se desintegran los protones?

«Inmediatamente después del Big Bang, se crearon materia y antimateria en cantidades aproximadamente iguales», dijo Pichai. Pero hoy, por lo que los científicos pueden decir, el universo está compuesto casi en su totalidad de materia.

“¿Por qué terminamos con un universo de materia y no de antimateria?” ella añadió.

El haz DUNE está diseñado para crear neutrinos y antineutrinos, la versión de la antimateria. Observar las oscilaciones en cada tipo podría ayudar a los científicos a descubrir qué pasó con toda la antimateria.

El proyecto también está destinado a la física de supernovas, dijo Beshai.

El Centro de Investigación de Sanford está ubicado bajo tierra en una antigua mina de oro.
Stephen Kinney, Centro de investigación subterránea de Sanford

En 1987, los astrónomos presenciaron una brillante explosión de supernova a una distancia más cercana que cualquier otra explosión en unos 400 años. Con los detectores disponibles en ese momento, sólo pudieron detectar unas pocas docenas de neutrinos.

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Hay un 40 por ciento de posibilidades de que otra estrella cercana explote en la próxima década, dijo Pichai, y Fermilab espera que al menos uno de sus detectores en Dakota del Sur esté en funcionamiento a tiempo.

Un prototipo de detector, parte del experimento ProtoDUNE, en el CERN.
Precio de Maximiliano/CERN

Un detector tan grande podría capturar miles de neutrinos y dar una idea de cómo se forman los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Finalmente, los científicos aún no han visto la desintegración de los protones, pero la teoría predice que sucederá. Los protones son pequeñas partículas cargadas positivamente que forman parte del núcleo de un átomo.

La observación de la desintegración de protones tendría implicaciones para la creencia de Albert Einstein de que una sola teoría podría unificar todas las fuerzas de la naturaleza.

Si los protones se desintegraran, se necesitarían aproximadamente 10 mil millones de billones de billones de años. Pero Pichai dijo que los detectores de neutrinos pueden buscar diferentes signos de desintegración de protones. «Tendremos la oportunidad de verlos, si estas grandes teorías unificadas son ciertas».

Un proyecto ambicioso

Actualmente hay varios proyectos de neutrinos en todo el mundo, incluido el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) y la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

Lo que hace que DUNE sea único es su uso de argón y la gran distancia entre los detectores cercanos y lejanos.

En el CERN se construyó un detector de pruebas de neutrinos, ProtoDUNE. Con el tiempo, se colocarán bajo tierra cuatro dispositivos similares como parte del proyecto DUNE.
Jim Schultz/Fermilab Dion

El proyecto enfrentó algunos contratiempos presupuestarios y de cronograma, científico americano Reportado para 2022. Se supone que tendrá cuatro detectores de argón, pero comenzará con dos.

Pichai dijo que el primer detector podría estar operativo a finales de 2028, y que el segundo detector lo haría el próximo año. Estos elementos estarán listos en caso de una explosión de supernova, pero la parte del haz no estará lista hasta 2031.

Sin embargo, Pichai cree que el proyecto ya ha alcanzado uno de sus mayores logros: la colaboración de unas 1.400 personas de 36 países. «Es una gran ciencia», dijo. «También es una gran bandera internacional».

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