El Observatorio de Neutrinos de Sudbury ( SNO ) era un observatorio de neutrinos ubicado a 2100 m bajo tierra en la mina Creighton de Vale en Sudbury , Ontario , Canadá. El detector fue diseñado para detectar neutrinos solares a través de sus interacciones con un gran tanque de agua pesada .
El detector se encendió en mayo de 1999 y se apagó el 28 de noviembre de 2006. La colaboración SNO estuvo activa durante varios años después de eso analizando los datos tomados.
El director del experimento, Art McDonald , fue co-galardonado con el Premio Nobel de Física en 2015 por la contribución del experimento al descubrimiento de la oscilación de neutrinos . [1]
El laboratorio subterráneo se ha ampliado para convertirse en una instalación permanente y ahora se utilizan varios experimentos como SNOLAB . El equipo de SNO se estaba renovando a partir de febrero de 2017 [actualizar]para su uso en el experimento SNO+ .
Las primeras mediciones del número de neutrinos solares que llegan a la Tierra se realizaron en la década de 1960, y todos los experimentos anteriores a SNO observaron entre un tercio y la mitad menos de neutrinos de los predichos por el Modelo Solar Estándar . Como varios experimentos confirmaron este déficit, el efecto pasó a conocerse como el problema de los neutrinos solares . A lo largo de varias décadas se propusieron muchas ideas para tratar de explicar el efecto, una de las cuales fue la hipótesis de las oscilaciones de neutrinos . Todos los detectores de neutrinos solares anteriores a SNO habían sido sensibles principalmente o exclusivamente a los neutrinos electrónicos y habían proporcionado poca o ninguna información sobre los neutrinos muónicos y los neutrinos tau .
En 1984, Herb Chen, de la Universidad de California en Irvine, fue el primero en señalar las ventajas de utilizar agua pesada como detector de neutrinos solares. [2] A diferencia de los detectores anteriores, el uso de agua pesada haría que el detector fuera sensible a dos reacciones, una reacción sensible a todos los sabores de neutrinos, la otra reacción sensible sólo a los neutrinos electrónicos. Por lo tanto, un detector de este tipo podría medir las oscilaciones de neutrinos directamente. Una ubicación en Canadá era atractiva porque Atomic Energy of Canada Limited , que mantiene grandes reservas de agua pesada para apoyar sus plantas de energía de reactores CANDU , estaba dispuesta a prestar la cantidad necesaria (por un valor de 330.000.000 de dólares canadienses a precios de mercado) sin costo alguno. [3] [4]
La mina Creighton en Sudbury es una de las más profundas del mundo y, por lo tanto, experimenta un flujo de radiación de fondo muy pequeño. Rápidamente se la identificó como un lugar ideal para construir el experimento propuesto por Chen, [3] y la administración de la mina estaba dispuesta a poner la ubicación a disposición por solo unos costos incrementales. [5] : 440
La colaboración SNO celebró su primera reunión en 1984. En ese momento competía con la propuesta de la fábrica KAON de TRIUMF por la financiación federal, y la amplia variedad de universidades que respaldaban a SNO rápidamente condujo a que fuera seleccionada para su desarrollo. El visto bueno oficial se dio en 1990.
El experimento observó la luz producida por los electrones relativistas en el agua creada por interacciones de neutrinos. A medida que los electrones relativistas viajan a través de un medio, pierden energía produciendo un cono de luz azul a través del efecto Cherenkov , y es esta luz la que se detecta directamente.
El objetivo del detector SNO consistía en 1.000 toneladas (1.102 toneladas cortas ) de agua pesada contenidas en un recipiente acrílico de 6 metros de radio (20 pies) . La cavidad del detector fuera del recipiente se llenó con agua normal para proporcionar flotabilidad al recipiente y protección contra la radiación . El agua pesada fue observada por aproximadamente 9.600 tubos fotomultiplicadores (PMT) montados en una esfera geodésica en un radio de unos 850 centímetros (28 pies). La cavidad que albergaba el detector era la más grande del mundo a esa profundidad, [6] lo que requería una variedad de técnicas de pernos de roca de alto rendimiento para evitar estallidos de rocas.
El observatorio está situado al final de una galería de 1,5 kilómetros de longitud (0,9 millas) , llamada "galería SNO", que lo aísla de otras operaciones mineras. A lo largo de la galería hay una serie de salas de operaciones y equipos, todas ellas en un entorno de sala limpia . La mayor parte de la instalación es de clase 3000 (menos de 3000 partículas de 1 μm o más grandes por 1 pie cúbico de aire), pero la cavidad final que contiene el detector es de clase 100 aún más estricta . [3]
En la interacción de corriente cargada , un neutrino convierte el neutrón de un deuterón en un protón . El neutrino es absorbido en la reacción y se produce un electrón. Los neutrinos solares tienen energías menores que la masa de los muones y los leptones tau , por lo que solo los neutrinos electrónicos pueden participar en esta reacción. El electrón emitido se lleva la mayor parte de la energía del neutrino, del orden de 5-15 MeV , y es detectable. El protón que se produce no tiene suficiente energía para ser detectado fácilmente. Los electrones producidos en esta reacción se emiten en todas las direcciones, pero existe una ligera tendencia a que apunten de nuevo en la dirección de donde vino el neutrino.
En la interacción de corriente neutra , un neutrino disocia el deuterón, rompiéndolo en sus constituyentes neutrón y protón. El neutrino continúa con un poco menos de energía, y los tres sabores de neutrinos tienen la misma probabilidad de participar en esta interacción. El agua pesada tiene una pequeña sección transversal para neutrones, pero cuando los neutrones son capturados por un núcleo de deuterio, se produce un rayo gamma ( fotón ) con aproximadamente 6 MeV de energía. La dirección del rayo gamma no tiene ninguna correlación con la dirección del neutrino. Algunos de los neutrones producidos a partir de los deuterones disociados se abren paso a través del recipiente acrílico hacia la camisa de agua ligera que rodea el agua pesada, y dado que el agua ligera tiene una sección transversal muy grande para la captura de neutrones, estos neutrones se capturan muy rápidamente. En esta reacción se producen rayos gamma de aproximadamente 2,2 MeV, pero debido a que la energía de los fotones es menor que el umbral de energía del detector (lo que significa que no activan los fotomultiplicadores), no son directamente observables. Sin embargo, cuando el rayo gamma choca con un electrón a través de la dispersión Compton, el electrón acelerado puede detectarse a través de la radiación Cherenkov.
En la interacción de dispersión elástica , un neutrino choca con un electrón atómico y cede parte de su energía al electrón. Los tres neutrinos pueden participar en esta interacción a través del intercambio del bosón neutro Z , y los neutrinos electrónicos también pueden participar con el intercambio de un bosón cargado W. Por esta razón, esta interacción está dominada por neutrinos electrónicos, y este es el canal a través del cual el detector Super-Kamiokande (Super-K) puede observar neutrinos solares. Esta interacción es el equivalente relativista del billar , y por esta razón los electrones producidos generalmente apuntan en la dirección en la que viajaba el neutrino (lejos del sol). Debido a que esta interacción tiene lugar en electrones atómicos, ocurre con la misma velocidad tanto en el agua pesada como en la ligera.
Los primeros resultados científicos de SNO se publicaron el 18 de junio de 2001 [7] [8] y presentaron la primera evidencia clara de que los neutrinos oscilan (es decir, que pueden transmutarse entre sí) a medida que viajan desde el Sol. Esta oscilación, a su vez, implica que los neutrinos tienen masas distintas de cero. El flujo total de todos los sabores de neutrinos medidos por SNO concuerda bien con las predicciones teóricas. Otras mediciones realizadas por SNO desde entonces han confirmado y mejorado la precisión del resultado original.
Aunque Super-K había superado a SNO, al haber publicado evidencia de oscilación de neutrinos ya en 1998, los resultados de Super-K no fueron concluyentes y no se ocuparon específicamente de los neutrinos solares. Los resultados de SNO fueron los primeros en demostrar directamente oscilaciones en neutrinos solares. Esto fue importante para el modelo solar estándar . En 2007, el Instituto Franklin otorgó al director de SNO, Art McDonald, la Medalla Benjamin Franklin en Física. [9] En 2015, el Premio Nobel de Física fue otorgado conjuntamente a Arthur B. McDonald y Takaaki Kajita de la Universidad de Tokio, por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos. [10]
El detector SNO habría sido capaz de detectar una supernova dentro de nuestra galaxia si se hubiera producido mientras el detector estaba en funcionamiento. Como los neutrinos emitidos por una supernova se liberan antes que los fotones, es posible alertar a la comunidad astronómica antes de que la supernova sea visible. SNO fue miembro fundador del Sistema de Alerta Temprana de Supernovas (SNEWS) con Super-Kamiokande y el Detector de Gran Volumen . Hasta el momento no se han detectado supernovas de este tipo.
El experimento SNO también pudo observar neutrinos atmosféricos producidos por interacciones de rayos cósmicos en la atmósfera. Debido al tamaño limitado del detector SNO en comparación con Super-K, la baja señal de neutrinos de rayos cósmicos no es estadísticamente significativa a energías de neutrinos inferiores a 1 GeV .
Los experimentos de física de partículas grandes requieren de grandes colaboraciones. Con aproximadamente 100 colaboradores, SNO era un grupo bastante pequeño en comparación con los experimentos con colisionadores . Las instituciones participantes han incluido:
Aunque ya no es una institución colaboradora, Chalk River Laboratories dirigió la construcción del recipiente de acrílico que contiene el agua pesada, y Atomic Energy of Canada Limited fue la fuente del agua pesada.
46°28′30″N 81°12′04″O / 46.47500, -81.20111 [12]
Medios relacionados con el Observatorio de neutrinos de Sudbury en Wikimedia Commons
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