En la Universidad de Notre Dame, parte de la matriz espectroscópica deuterada de Oak Ridge midió una reacción que causa ruido en algunos detectores de neutrinos. Crédito: Michael Febbraro / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, un nuevo estudio aclara una discrepancia con respecto al mayor contribuyente de señales de fondo no deseadas en detectores especializados de neutrinos. Una mejor caracterización del fondo podría mejorar los experimentos actuales y futuros para detectar señales reales de estas partículas subatómicas eléctricamente neutras que interactúan débilmente y comprender su papel en el universo.
“Hemos identificado una reacción con discrepancias significativas entre nuestra nueva medición y los datos históricos”, dijo Michael Febbraro de ORNL, autor principal de un estudio publicado en Cartas de revisión física que presenta una medición mejorada de la reacción. “Es una de las reacciones más antiguas jamás estudiadas y todavía estamos descubriendo cosas nuevas al respecto”.
Una medición anterior de 2005, que se había utilizado como patrón de referencia, se había analizado incorrectamente. Consideró solo el estado fundamental de las partículas en lugar de un espectro de estados fundamentales y excitados. La nueva medición, tomada con una matriz de detectores basada en espectroscopía de neutrones y rayos gamma secundarios, consideró todo el espectro de energías de las partículas.
Febbraro, quien concibió el experimento y construyó los detectores, realizó la medición con Richard deBoer de la Universidad de Notre Dame y Steven Pain de ORNL. Otros coautores representan a la Universidad de Surrey; Universidad de Michigan, Ann Arbor; Universidad de Tennessee, Knoxville; y la Universidad de Rutgers.
Estos físicos nucleares no se propusieron estudiar las propiedades de los neutrinos; normalmente se refieren a los núcleos atómicos y sus interacciones. Pero en la ciencia, los descubrimientos en un área a menudo tienen un impacto profundo en otras áreas.
Una conocida reacción nuclear convierte el carbono 13 en oxígeno 16 y un neutrón. Esa misma reacción contribuye de manera importante a los antecedentes de los experimentos que miden los neutrinos, ya sean emitidos por el sol, la atmósfera, los aceleradores, los reactores nucleares o el núcleo de la Tierra.
La velocidad de esa reacción debe ser bien conocida para calcular con precisión el fondo en detectores como el detector antineutrino de centelleo líquido Kamioka de Japón, o KamLAND. Usando un acelerador de la Universidad de Notre Dame, los investigadores dispararon una partícula alfa (es decir, núcleo de helio-4) a un objetivo de carbono-13, formando brevemente oxígeno-17, que se descompuso en oxígeno-16 y un neutrón. Los investigadores midieron la “sección transversal” o probabilidad de que se produzca una reacción, que es proporcional a la tasa de producción de neutrones.
“Descubrimos que el conjunto de datos mundiales actual es bastante incorrecto, porque no tenían en cuenta otros canales de reacción que se activan”, dijo Febbraro. “Tenemos un tipo especial de detector que puede decir cuál es la energía neutrónica, y esa fue la principal tecnología habilitadora que hizo posible esta medición”.
Los detectores de neutrinos deben ser grandes para potenciar las señales débiles. KamLAND está lleno de un centelleador a base de hidrocarburos, un aceite que interactúa con los neutrinos y emite luz. Esos destellos facilitan la detección y el recuento de los esquivos neutrinos. Sin embargo, los productos de desintegración del radón, un gas radiactivo natural, se combinan con el carbono 13, un raro isótopo de carbono presente en el centelleador, creando el oxígeno 16 y los neutrones que imitan las señales de los neutrinos.
KamLAND pesa aproximadamente mil toneladas. Entonces, mientras que el carbono 13 representa solo el 1,1% de todo el carbono, KamLAND contiene 10 toneladas. El radón que ingresa al detector se descompone en elementos secundarios que tienen diferentes energías. Las partículas alfa producidas por esas desintegraciones interactúan con el carbono 13, creando un fondo que abruma la señal de neutrinos. “Es la principal fuente de antecedentes de estos experimentos”, dijo Febbraro.
La medición de referencia previa de la reacción había medido núcleos solo al nivel de energía más bajo, o estado fundamental. Pero los núcleos también viven a niveles de energía más altos, llamados estados excitados. Los diferentes niveles de energía afectan la probabilidad de que una reacción tome un camino específico.
“Mejoramos enormemente la precisión y exactitud de mediciones utilizando una configuración que es sensible a un espectro de energías de neutrones ”, dijo Febbraro.
La comunidad científica mundial hace uso de bases de datos nucleares evaluadas que contienen mediciones de referencia revisadas por pares y generadas por expertos. Para estimar los antecedentes de KamLAND, los físicos de KamLAND sacaron la medición de referencia de 2005 generada por físicos nucleares de una de estas bases de datos, la Biblioteca de Datos Nucleares Evaluados de Japón. Asumieron que la medida era correcta y la incluyeron en sus cálculos.
“La suposición de que los estados emocionados no importan no es cierta”, dijo Febbraro. “Incluir los estados excitados cambia no solo el tamaño del fondo que causa en KamLAND, sino que también impacta en múltiples aspectos de la señal de neutrinos”.
La física de ORNL Kelly Chipps, quien ayudó a analizar los datos e interpretar los resultados con su colega de ORNL Michael Smith, estuvo de acuerdo.
“El trasfondo es algo que tienes que entender con precisión”, dijo. “De lo contrario, la cantidad de eventos reales que vio podría ser completamente incorrecta”.
Pedirle a un detector de neutrinos grande lleno de centelleadores que distinga el fondo de la señal es como tener los ojos vendados, alimentarlos con chocolates con una capa de caramelo rojo o verde y pedirles que digan cuántos chocolates rojos comió.
“El problema es que todos los dulces saben igual”, dijo Chipps. “Para saber cuántos dulces rojos comiste, contarías el número total de dulces y llamarías al fabricante de chocolate para preguntar cuántos dulces rojos hay generalmente en una bolsa”.
Así como conocer esta proporción le permitiría hacer una estimación de las cantidades de dulces, la información de referencia en las bases de datos nucleares evaluadas permite a los científicos estimar el número de neutrinos.
“Resulta que nuestro experimento obtuvo una respuesta diferente a la que el ‘fabricante de dulces’ dijo que debería ser la proporción”, continuó Chipps. “Esto no se debe a que el fabricante pretendiera dar una respuesta incorrecta; es porque su máquina clasificadora fue programada con un valor incorrecto “.
La nueva tasa de producción de neutrones encontrada por Febbraro y sus colegas de física nuclear ahora puede ser utilizada por los físicos que trabajan en KamLAND y otros experimentos de neutrinos basados en centelleo líquido para restar el fondo con mayor exactitud y precisión.
Desde esta nueva medición, el equipo de Febbraro ha empleado el detector especial para medir reacciones similares. Han encontrado discrepancias en las tasas de producción de neutrones para media docena de isótopos. “Los cálculos en esta región masiva no son muy confiables”, dijo.
Referencia: “Nuevo 13C (α, n)dieciséisO Sección transversal con implicaciones para la mezcla de neutrinos y las mediciones de geoneutrinos ”por M. Febbraro, RJ deBoer, SD Pain, R. Toomey, FD Becchetti, A. Boeltzig, Y. Chen, KA Chipps, M. Couder, KL Jones, E. Lamere, Q. Liu, S. Lyons, KT Macon, L. Morales, WA Peters, D. Robertson, BC Rasco, K. Smith, C. Seymour, G. Seymour, MS Smith, E. Stech, B. Vande Kolk y M. Wiescher, 7 de agosto de 2020, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.062501
El desarrollo de detectores fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE. La medición se realizó en el Laboratorio de Ciencias Nucleares de la Universidad de Notre Dame, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.
Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.
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