Agencia Espacial del Perú participa en megaproyecto internacional para el estudio de Neutrinos

El Experimento Subterráneo Profundo de Neutrinos (DUNE, por su siglas en inglés) es un proyecto colaborativo internacional en el cual participan 180 instituciones de investigación de 30 países y busca responder varias preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia y evolución del Universo con el estudio del decaimiento del protón y de una de las partículas más misteriosas y abundantes en el universo: el Neutrino. Este experimento es gestionado por la instalación de Neutrinos del Laboratorio Nacional De Aceleración Fermi (Fermilab) de Estados Unidos, el segundo centro mundial de investigación en Física de Partículas.

 

El proyecto DUNE perseguirá tres objetivos científicos principales: averiguar si los neutrinos podrían ser la razón por la que el universo está hecho de materia; buscar fenómenos subatómicos que puedan ayudar a realizar el sueño de Einstein de la  unificación de fuerzas; y observar a los neutrinos que emergen de una estrella en explosión, tal vez presenciando el  nacimiento de una estrella de neutrones o un agujero negro.

 

 

El Ing. Juan Vega de la Dirección de Astronomía y Ciencias Espaciales (DIACE) de la Agencia Espacial del Perú realizó a finales del año 2019 una estadía de dos meses en el Fermilab con el auspicio de la Universidad Nacional de Ingeniería para el desarrollo colaborativo del hardware de la electrónica DAPHNE, en el cual también participaron los investigadores de la Universidad Antonio de Nariño (UAN), de la Universidad EIA, de la Universidad de Antioquia y de la Universidad Nacional de Asunción. A la fecha la tarjeta está próxima a terminarse, y estará lista este 2021 para los ensayos de prueba de los primeros prototipos. 

 

La participación de la Agencia Espacial del Perú aún continúa y actualmente el Ing. Juan Vega está desarrollando también, de manera colaborativa, un programa denominado Control Lento (Slow Control, en Inglés) que estará ejecutándose en un potente Microcontrolador de la Tarjeta DAPHNE, para brindar capacidades de control, configuración y estado de la electrónica del detector a los científicos en las pruebas y durante el experimento.

 

El experimento considera principalmente 2 partes: un sistema generador de un haz de neutrinos, con un primer sistema de detección de partículas que se encontrará en el laboratorio científico de Fermilab en Batavia, Illinois - EEUU, y un detector de partículas subterráneo lejano, que se ubicará en la instalación de investigación subterránea de Sanford en Dakota del Sur - EEUU. ¡El haz de neutrinos atravesará 1200 km de la corteza terrestre desde Fermilab hasta Sanford! El detector de Dakota del Sur será el más grande de su tipo jamás construido y estará a 1.5 km debajo de la tierra y utilizará 70000 toneladas de argón líquido y tecnología avanzada para registrar las interacciones de neutrinos con una precisión nunca antes alcanzada.

 

Para la detección de partículas, investigadores de Brasil diseñaron un detector denominado ARAPUCA, el cual atrapa los fotones producidos por el efecto del paso de los neutrinos que interactúan con el argón del detector y los dirige hacia un conjunto de modernos sensores de silicio capaz de registrar el paso de un fotón. Estos sensores de última generación se denominan SiPM (Silicon PhotoMultiplier). La electrónica asociada que adquiere, registra y envía las señales de los SiPM se llama DAPHNE (Detector electronics for Acquiring PHotons from NEutrinos), la cual enviará la información a un sistema computacional de almacenamiento y procesamiento.

 

 

La existencia de los neutrinos fue postulada teóricamente por Pauli en 1930, para explicar la energía faltante en el decaimiento beta de los núcleos radiactivos. Pauli pronosticó que debido a su pequeñísima masa el neutrino jamás sería detectado. Sin embargo, en 1942 los neutrinos fueron detectados indirectamente utilizando un proceso inverso al de su emisión. Los neutrinos son tan difíciles de detectar pues, por ejemplo, son capaces de atravesar un año luz de plomo sin ser absorbidos. Por este motivo se requieren detectores con dimensiones del orden de las decenas de metros y flujos muy grandes de estas partículas para estudiarlos. Esta misma propiedad los convierte en muy buenos informantes de los procesos que ocurren en el espacio profundo. Para poner un ejemplo de los volúmenes y capacidades de detección: el detector Super Kamiokande, un cilindro de 40 metros de altura y diámetro situado en una mina, solo detecta 200 neutrinos de un flujo de 66 mil millones por centímetro cuadrado por segundo de neutrinos solares. Existen tres tipos de neutrinos y otra propiedad muy interesante de estas partículas es que espontáneamente cambian entre un tipo u otro. Esta propiedad, no entendida aún a través de modelos teóricos, puede brindar información muy importante sobre la naturaleza de las partículas fundamentales que componen la materia.