El experimento NOνA ( NuMI Off-Axis ν e Appearance) es un experimento de física de partículas diseñado para detectar neutrinos en el haz NuMI (Neutrinos at the Main Injector) del Fermilab . Destinado a ser el sucesor de MINOS , NOνA consta de dos detectores, uno en el Fermilab (el detector cercano ) y otro en el norte de Minnesota (el detector lejano ). Los neutrinos del NuMI pasan a través de 810 km de la Tierra para llegar al detector lejano. El objetivo principal de NOνA es observar la oscilación de los neutrinos muónicos a los neutrinos electrónicos. Los principales objetivos físicos de NOvA son: [1]
La oscilación de neutrinos está parametrizada por la matriz PMNS y las diferencias de masa al cuadrado entre los estados propios de masa de los neutrinos . Suponiendo que tres tipos de neutrinos participan en la mezcla de neutrinos, hay seis variables que afectan la oscilación de neutrinos: los tres ángulos θ 12 , θ 23 y θ 13 , una fase que viola el CP δ y dos cualesquiera de las tres diferencias de masa al cuadrado. Actualmente no hay ninguna razón teórica convincente para esperar un valor particular de estos parámetros o una relación entre ellos.
Varios experimentos han demostrado que θ 23 y θ 12 son distintos de cero, pero la búsqueda más sensible de θ 13 distinto de cero realizada por la colaboración Chooz solo arrojó un límite superior. En 2012, se midió que θ 13 en Daya Bay era distinto de cero con una significancia estadística de 5,2 σ [ ancla rota ] . [2] Al año siguiente, T2K descubrió la transición excluyendo la hipótesis de no aparición con una significancia de 7,3 σ . [3] No se ha realizado ninguna medición de δ . Se conocen los valores absolutos de dos diferencias de masa al cuadrado, pero debido a que una es muy pequeña en comparación con la otra, no se ha determinado el orden de las masas.
NOνA es un orden de magnitud más sensible a θ 13 que la generación anterior de experimentos, como MINOS . Lo medirá buscando la transición en el haz NuMI de Fermilab . Si un valor distinto de cero de θ 13 es resoluble por NOνA, será posible obtener mediciones de δ y el ordenamiento de masas observando también El parámetro δ se puede medir porque modifica las probabilidades de oscilación de forma diferente para neutrinos y antineutrinos. El ordenamiento de masas, de forma similar, se puede determinar porque los neutrinos pasan a través de la Tierra, que, a través del efecto MSW , modifica las probabilidades de oscilación de forma diferente para neutrinos y antineutrinos. [4]
Las masas de los neutrinos y los ángulos de mezcla son, hasta donde sabemos, constantes fundamentales del universo. Medirlos es un requisito básico para nuestra comprensión de la física. Conocer el valor del parámetro violador de CP δ nos ayudará a entender por qué el universo tiene una asimetría materia-antimateria . Además, según la teoría del mecanismo de balancín , las masas muy pequeñas de los neutrinos pueden estar relacionadas con masas muy grandes de partículas que aún no tenemos la tecnología para estudiar directamente. Las mediciones de neutrinos son entonces una forma indirecta de estudiar la física a energías extremadamente altas. [4]
En nuestra teoría actual de la física, no hay razón para que los ángulos de mezcla de neutrinos tengan valores particulares. Y, sin embargo, de los tres ángulos de mezcla de neutrinos, sólo θ 12 se ha resuelto como ni máximo ni mínimo. Si las mediciones de NOνA y otros experimentos futuros continúan mostrando θ 23 como máximo y θ 13 como mínimo, esto puede sugerir alguna simetría de la naturaleza aún desconocida. [4]
El NOνA puede resolver potencialmente la jerarquía de masas porque opera a una energía relativamente alta. De los experimentos que se están realizando actualmente, es el que tiene el alcance más amplio para realizar esta medición de manera inequívoca y con la menor dependencia del valor de δ . Muchos experimentos futuros que buscan realizar mediciones precisas de las propiedades de los neutrinos se basarán en la medición del NOνA para saber cómo configurar sus aparatos para lograr la mayor precisión y cómo interpretar sus resultados.
Un experimento similar a NOνA es T2K , un experimento de haz de neutrinos en Japón similar a NOνA. Al igual que NOνA, está destinado a medir θ 13 y δ . Tendrá una línea base de 295 km y utilizará neutrinos de menor energía que NOνA, alrededor de 0,6 GeV. Dado que los efectos de la materia son menos pronunciados tanto a energías más bajas como a líneas base más cortas, no puede resolver el orden de masas para la mayoría de los valores posibles de δ . [5]
La interpretación de los experimentos de desintegración beta doble sin neutrinos también se beneficiará del conocimiento del ordenamiento de masas, ya que la jerarquía de masas afecta las duraciones teóricas de este proceso. [4]
Los experimentos con reactores también tienen la capacidad de medir θ 13 . Si bien no pueden medir δ ni el ordenamiento de masas, su medición del ángulo de mezcla no depende del conocimiento de estos parámetros. Los tres experimentos que han medido un valor para θ 13 , en orden decreciente de sensibilidad, son Daya Bay en China, RENO en Corea del Sur y Double Chooz en Francia, que utilizan líneas de base de 1-2 km, optimizadas para la observación del primer máximo de oscilación controlado por θ 13 . [6]
Además de sus objetivos físicos primarios, NOνA podrá mejorar las mediciones de los parámetros de oscilación ya medidos. NOνA, al igual que MINOS , es muy adecuado para detectar neutrinos muónicos y, por lo tanto, podrá refinar nuestro conocimiento de θ 23 .
El detector cercano NOνA se utilizará para realizar mediciones de secciones eficaces de interacción de neutrinos que actualmente no se conocen con un alto grado de precisión. Sus mediciones en esta área complementarán otros experimentos similares futuros, como MINERνA , que también utiliza el haz NuMI . [7]
Dado que es capaz de detectar neutrinos de supernovas galácticas , NOνA formará parte del Sistema de Alerta Temprana de Supernovas . Los datos de supernovas de NOνA pueden correlacionarse con los de Super-Kamiokande para estudiar los efectos de la materia en la oscilación de estos neutrinos. [4]
Para lograr sus objetivos físicos, NOνA debe ser eficiente en la detección de neutrinos electrónicos, que se espera que aparezcan en el haz NuMI (originalmente compuesto solo de neutrinos muónicos) como resultado de la oscilación de neutrinos.
Los experimentos de neutrinos anteriores, como MINOS , han reducido los fondos de rayos cósmicos al estar bajo tierra. Sin embargo, NOνA está en la superficie y depende de información de tiempo precisa y una energía de haz bien definida para reducir los recuentos de fondo espurios. Está situado a 810 km del origen del haz de NuMI y a 14 miliradianes (12 km) al oeste del eje central del haz. En esta posición, muestrea un haz que tiene una distribución de energía mucho más estrecha que si estuviera ubicado centralmente, lo que reduce aún más el efecto de los fondos. [4]
El detector está diseñado como un par de detectores de centelleo líquido de grano fino. El detector cercano está en Fermilab y toma muestras del haz no oscilado [ verificar ortografía ] . El detector lejano está en el norte de Minnesota y consta de unas 500.000 celdas, cada una de 4 cm × 6 cm × 16 m, llenas de centelleador líquido. Cada celda contiene un bucle de cable de fibra óptica desnudo para recoger la luz de centelleo, cuyos dos extremos conducen a un fotodiodo de avalancha para la lectura.
El detector cercano tiene el mismo diseño general, pero sólo tiene una masa de 1 ⁄ 200 veces la del detector. Este detector de 222 toneladas está construido con 186 planos de celdas llenas de centelleador (6 bloques de 31 planos) seguidos de un captador de muones . Aunque todos los planos son idénticos, los primeros 6 se utilizan como región de veto; se supone que las lluvias de partículas que comienzan en ellos no son neutrinos y se ignoran. Los siguientes 108 planos sirven como región fiducial; las lluvias de partículas que comienzan en ellos son interacciones de neutrinos de interés. Los últimos 72 planos son una "región de contención de la lluvia" que observa la porción final de las lluvias de partículas que comenzaron en la región fiducial. Finalmente, una región de "captura de muones" de 1,7 metros de largo está construida con placas de acero intercaladas con 10 planos activos de centelleador líquido.
El experimento NOνA incluye científicos de un gran número de instituciones. Las distintas instituciones se encargan de distintas tareas. La colaboración y sus subgrupos se reúnen periódicamente por teléfono para reuniones semanales y en persona varias veces al año. Las instituciones participantes a mayo de 2024 son: [9]
A fines de 2007, la NOνA aprobó una revisión de "Decisión crítica 2" del Departamento de Energía , lo que significa aproximadamente que se habían aprobado su diseño, costo, cronograma y objetivos científicos. Esto también permitió que el proyecto se incluyera en la solicitud de presupuesto del Congreso para el Departamento de Energía. (NOνA aún requería una revisión de "Decisión crítica 3" para comenzar la construcción).
El 21 de diciembre de 2007, el presidente Bush firmó un proyecto de ley de gastos generales , HR 2764, que recortó la financiación para la física de alta energía en 88 millones de dólares del valor esperado de 782 millones de dólares. [10] El presupuesto de Fermilab se redujo en 52 millones de dólares. [11] Este proyecto de ley declaró explícitamente que "dentro de la financiación para la física basada en aceleradores de protones, no se proporcionan fondos para la actividad de NOνA en las mejoras del complejo Tevatron". [12] [13] Así que, aunque el proyecto NOνA mantuvo su aprobación tanto del Departamento de Energía como de Fermilab, el Congreso dejó a NOνA sin fondos para el año fiscal 2008 para construir su detector, pagar a su personal o continuar en la búsqueda de resultados científicos. Sin embargo, en julio de 2008, el Congreso aprobó, y el presidente firmó, un proyecto de ley de presupuesto suplementario, [14] que incluía financiación para NOνA, lo que permitía a la colaboración reanudar su trabajo.
El prototipo de detector cercano NOνA (Near Detector on Surface, o NDOS) comenzó a funcionar en Fermilab en noviembre y registró sus primeros neutrinos del haz NuMI el 15 de diciembre de 2010. [15] Como prototipo, NDOS fue útil para la colaboración al establecer un caso de uso y sugerir mejoras en el diseño de los componentes del detector que luego se instalaron como un detector cercano en Fermilab y un detector lejano en Ash River, MN ( 48°22′45″N 92°49′54″O / 48.37912, -92.83164 (detector lejano NOνA) ).
Una vez finalizada la construcción del edificio NOvA, se inició la construcción de los módulos de detección. El 26 de julio de 2012 se colocó el primer módulo. La colocación y el pegado de los módulos se prolongó durante un año hasta que se llenó la sala de detección.
La primera detección se produjo el 11 de febrero de 2014 y la construcción finalizó en septiembre de ese año. La operación completa comenzó en octubre de 2014. [16]
