Gargamelle fue un detector de cámara de burbujas de líquido pesado que estuvo en funcionamiento en el CERN entre 1970 y 1979. Fue diseñado para detectar neutrinos y antineutrinos , que se producían con un haz del Sincrotrón de Protones ( PS ) entre 1970 y 1976, antes de que el detector fuera trasladado al Super Sincrotrón de Protones ( SPS ). [1] En 1979 se descubrió una grieta irreparable en la cámara de burbujas, y el detector fue desmantelado. Actualmente forma parte de la exposición "Microcosmos" del CERN, abierta al público.
Gargamelle es famoso por ser el experimento en el que se descubrieron las corrientes neutras . Descubiertas en julio de 1973, las corrientes neutras fueron el primer indicio experimental de la existencia del bosón Z0 y, en consecuencia, un gran paso hacia la verificación de la teoría electrodébil .
Gargamelle puede referirse tanto al detector de cámara de burbujas en sí como al experimento de física de alta energía del mismo nombre. El nombre en sí se deriva de una novela del siglo XVI de François Rabelais , La vida de Gargantúa y de Pantagruel , en la que la giganta Gargamelle es la madre de Gargantúa. [1]
En una serie de trabajos separados en la década de 1960 , Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam propusieron una teoría que unificaba la interacción electromagnética y débil entre partículas elementales —la teoría electrodébil— por la que compartieron el Premio Nobel de Física de 1979. [2] Su teoría predijo la existencia de los bosones W ± y Z 0 como propagadores de la fuerza débil . Los bosones W ± tienen carga eléctrica, ya sea positiva (W + ) o negativa (W − ), el Z 0 , sin embargo, no tiene carga. El intercambio de un bosón Z 0 transfiere momento , espín y energía , pero no afecta a los números cuánticos de la partícula : carga, sabor , número bariónico , número leptónico , etc. Dado que no hay transferencia de carga eléctrica, el intercambio de un Z 0 se conoce como " corriente neutra ". Las corrientes neutras fueron una predicción de la teoría electrodébil.
En 1960, Melvin Schwartz propuso un método para producir un haz de neutrinos energéticos . [3] Dicho haz fue utilizado por Schwartz y otros en un experimento en 1962 en Brookhaven que demostró que existen diferentes tipos de neutrinos: neutrinos muónicos y neutrinos electrónicos . Schwartz compartió el Premio Nobel de Física de 1988 por este descubrimiento. [4] Antes de la idea de Schwartz, las interacciones débiles se habían estudiado solo en la desintegración de partículas elementales, especialmente partículas extrañas . El uso de estos nuevos haces de neutrinos aumentó en gran medida la energía disponible para el estudio de la interacción débil. Gargamelle fue uno de los primeros experimentos que utilizaron un haz de neutrinos, producido con un haz de protones del PS.
Una cámara de burbujas es simplemente un recipiente lleno de un líquido sobrecalentado. Una partícula cargada que viaja a través de la cámara dejará una pista de ionización , alrededor de la cual el líquido se vaporiza, formando burbujas microscópicas. Toda la cámara está sujeta a un campo magnético constante, lo que hace que las pistas de las partículas cargadas se curven. El radio de curvatura es proporcional al momento de la partícula. Las pistas se fotografían y, al estudiarlas, se pueden aprender sobre las propiedades de las partículas detectadas. El haz de neutrinos que viajó a través de la cámara de burbujas de Gargamelle no dejó ninguna pista en el detector, ya que los neutrinos no tienen carga. Por lo tanto, se detectaron interacciones con neutrinos al observar partículas producidas por las interacciones de los neutrinos con los componentes de la materia. Los neutrinos tienen secciones transversales extremadamente pequeñas , es decir, la probabilidad de interacción es muy pequeña. Mientras que las cámaras de burbujas generalmente están llenas de hidrógeno líquido , Gargamelle se llenó con un líquido pesado, CBrF 3 (Freón), lo que aumenta la probabilidad de ver interacciones de neutrinos. [1]
El dominio de la física de neutrinos estaba en rápida expansión en los años 60. Los experimentos de neutrinos utilizando cámaras de burbujas ya se estaban realizando en el primer sincrotrón del CERN, el PS, y la cuestión de la próxima generación de cámaras de burbujas había estado en la agenda durante algún tiempo. André Lagarrigue , un estimado físico de la École Polytechnique de París , y algunos de sus colegas, escribieron el primer informe publicado, fechado el 10 de febrero de 1964, proponiendo la construcción de una cámara de líquido pesado que se construiría bajo la supervisión del CERN. [5] Formó una colaboración que constaba de siete laboratorios: École Polytechnique Paris , RWTH Aachen , ULB Bruxelles , Istituto di Fisica dell'Università di Milano , LAL Orsay, University College London y CERN. [6] El grupo se reunió en Milán en 1968 para enumerar las prioridades de física para el experimento: hoy Gargamelle es famoso por su descubrimiento de las corrientes neutras, pero mientras se preparaba el programa de física el tema ni siquiera se discutió, y en la propuesta final se clasifica como quinto en prioridad. [7] En ese momento no había consenso en torno a la teoría electrodébil, lo que podría explicar la lista de prioridades. Además, experimentos anteriores que buscaban corrientes neutras en la desintegración del kaón neutro en dos leptones cargados , habían medido límites muy pequeños de alrededor de 10 −7 .
Debido a la crisis presupuestaria, el experimento no fue aprobado en 1966, contrariamente a lo esperado. Victor Weisskopf , Director General del CERN , y Bernard Grégory , Director Científico, decidieron comprometer el dinero ellos mismos, este último ofreciendo un préstamo al CERN para cubrir la cuota correspondiente a 1966. [5] El contrato final fue firmado el 2 de diciembre de 1965, siendo esta la primera vez en la historia del CERN que una inversión de este tipo no fue aprobada por el consejo, sino por el Director General utilizando su autoridad ejecutiva.
La cámara Gargamelle se construyó íntegramente en Saclay . Aunque la construcción se retrasó unos dos años, finalmente se montó en el CERN en diciembre de 1970 y la primera prueba importante tuvo lugar en marzo de 1971. [5]
Gargamelle medía 4,8 metros de largo y 2 metros de diámetro, y contenía 12 metros cúbicos de freón líquido pesado. Para doblar las pistas de las partículas cargadas, Gargamelle estaba rodeado por un imán que proporcionaba un campo de 2 Tesla. Las bobinas del imán estaban hechas de cobre enfriado con agua y seguían la forma oblonga de Gargamelle. Para mantener el líquido a una temperatura adecuada, varios tubos de agua rodeaban el cuerpo de la cámara para regular la temperatura. Toda la instalación pesaba más de 1000 toneladas.
Al grabar un evento, la cámara se iluminaba y se fotografiaba. El sistema de iluminación emitía luz que era dispersada a 90° por las burbujas y enviada a la óptica. La fuente de luz consistía en 21 destellos puntuales dispuestos en los extremos del cuerpo de la cámara y sobre la mitad del cilindro. [8] La óptica estaba situada en la mitad opuesta del cilindro, distribuida en dos filas paralelas al eje de la cámara, cada fila con cuatro ópticas. El objetivo estaba formado por un conjunto de lentes con un campo angular de 90° seguido de una lente divergente que extiende el campo a 110°.
Gargamelle fue diseñado para la detección de neutrinos y antineutrinos. La fuente de neutrinos y antineutrinos era un haz de protones a una energía de 26 GeV del PS. Los protones fueron extraídos por un imán y luego dirigidos a través de una matriz apropiada de imanes cuadrupolares y dipolares, proporcionando los grados necesarios de libertad en posición y orientación para ajustar el haz sobre el objetivo. El objetivo era un cilindro de berilio , de 90 cm de largo y 5 mm de diámetro. [8] El material del objetivo fue elegido de modo que los hadrones producidos en la colisión fueran principalmente piones y kaones , que se desintegran en neutrinos. Los piones y kaones producidos tienen una variedad de ángulos y energías y, en consecuencia, su producto de desintegración también tendrá una gran dispersión de momento. Como los neutrinos no tienen carga, no se pueden enfocar con campos eléctricos o magnéticos. En cambio, uno enfoca las partículas secundarias utilizando un cuerno magnético , inventado por el premio Nobel Simon van der Meer . La forma del cuerno y la fuerza del campo magnético se pueden ajustar para seleccionar un rango de partículas que se enfocarán mejor, lo que da como resultado un haz de neutrinos enfocado con un rango elegido de energía a medida que los kaones y piones se desintegran. Al invertir la corriente a través del cuerno, se podría producir un haz de antineutrinos . Gargamelle funcionó alternativamente en un haz de neutrinos y otro de antineutrinos. La invención de van der Meer aumentó el flujo de neutrinos en un factor de 20. El haz de neutrinos tenía una energía entre 1 y 10 GeV.
Después de ser enfocados, los piones y kaones fueron dirigidos a través de un túnel de 70 m de largo, lo que les permitió desintegrarse. Los piones y kaones que no se desintegraron chocaron con un blindaje al final del túnel y fueron absorbidos. Al desintegrarse, los piones y kaones normalmente se desintegran en π → μ + ν y K → μ + ν , lo que significa que el flujo de neutrinos sería proporcional al flujo de muones. Como los muones no fueron absorbidos como hadrones, el flujo de muones cargados se detuvo mediante un proceso de desaceleración electromagnética en el largo blindaje. El flujo de neutrinos se midió a través del flujo de muones correspondiente por medio de seis planos de detectores de silicio-oro colocados a varias profundidades en el blindaje. [8]
Durante los años 1971-1976 se obtuvieron grandes mejoras en la intensidad, primero con un nuevo inyector para el PS —el Proton Synchrotron Booster— y segundo mediante el cuidadoso estudio de la óptica del haz.
La primera misión principal de Gargamelle fue buscar evidencia de dispersión dura de neutrinos y antineutrinos muónicos a partir de nucleones . Las prioridades cambiaron en marzo de 1972, cuando se hicieron evidentes los primeros indicios de la existencia de una corriente neutra hadrónica . [9] Entonces se decidió hacer un ataque de dos frentes en la búsqueda de candidatos a corriente neutra. Una línea buscaría eventos leptónicos , eventos que involucraran la interacción con un electrón en el líquido, por ejemplo
no
micras+
mi−
→
no
micras+
mi−
o
no
micras+
mi−
→
no
micras+
mi−
La otra línea buscaría eventos hadrónicos , que involucran un neutrino dispersado desde un hadrón, por ejemplo
no
+
pag
→
no
+
pag
,
no
+
norte
→
no
+
pag
+
π−
o
pag
→
no
+
norte
+
π+
, además de eventos con muchos hadrones. Los eventos leptónicos tienen secciones transversales pequeñas , pero correspondientemente un fondo pequeño. Los eventos hadrónicos tienen fondos más grandes, debido principalmente a los neutrones producidos cuando los neutrinos interactúan en el material alrededor de la cámara. Los neutrones, al no tener carga, no se detectarían en la cámara de burbujas, y la detección de sus interacciones imitaría los eventos de corrientes neutras. Para reducir el fondo de neutrones, la energía de los eventos hadrónicos tenía que ser mayor que 1 GeV.
El primer ejemplo de un evento leptónico fue descubierto en diciembre de 1972 en Gargamelle por un estudiante de posgrado de Aquisgrán . En marzo de 1973 se habían encontrado 166 eventos hadrónicos, 102 eventos con el haz de neutrinos y 64 eventos con el haz de antineutrinos. [9] Sin embargo, la cuestión del fondo de neutrones se cernía sobre la interpretación de los eventos hadrónicos. El problema se resolvió estudiando los eventos de corriente cargada que también tenían una interacción de neutrones asociada que satisfacía la selección de eventos hadrónicos. [10] De esta manera se tiene un monitor del flujo de fondo de neutrones. El 19 de julio de 1973, la colaboración Gargamelle presentó el descubrimiento de las corrientes neutras en un seminario en el CERN.
La colaboración Gargamelle descubrió tanto las corrientes neutras leptónicas (eventos que implican la interacción de un neutrino con un electrón) como las corrientes neutras hadrónicas (eventos en los que un neutrino se dispersa desde un nucleón). El descubrimiento fue muy importante, ya que apoyó la teoría electrodébil , hoy un pilar del Modelo Estándar . La prueba experimental final de la teoría electrodébil llegó en 1983, cuando la colaboración UA1 y UA2 descubrió los bosones W ± y Z .
Inicialmente, la primera prioridad de Gargamelle había sido medir las secciones eficaces y las funciones estructurales de los neutrinos y antineutrinos . La razón de esto era probar el modelo de quarks del nucleón. En primer lugar, se demostró que las secciones eficaces de los neutrinos y antineutrinos eran lineales con la energía, que es lo que se espera para la dispersión de constituyentes puntuales en el nucleón. La combinación de las funciones estructurales de los neutrinos y antineutrinos permitió determinar el número neto de quarks en el nucleón, y esto estaba en buen acuerdo con 3. Además, al comparar los resultados de los neutrinos con los resultados del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en los EE. UU., utilizando un haz de electrones, se encontró que los quarks tenían cargas fraccionarias y se probaron experimentalmente los valores de estas cargas: + 2 ⁄ 3 e , − 1 ⁄ 3 e. Los resultados se publicaron en 1975, proporcionando evidencia crucial de la existencia de los quarks. [11]
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