Cara frontal del detector lejano MINOS. A la izquierda está la sala de control y a la derecha un mural de Joseph Giannetti.
La búsqueda de oscilación de neutrinos en el inyector principal ( MINOS ) fue un experimento de física de partículas diseñado para estudiar los fenómenos de oscilaciones de neutrinos , descubierto por primera vez mediante un experimento Super-Kamiokande (Super-K) en 1998. Neutrinos producidos por el NuMI ("Neutrinos at Main Injector" ) en Fermilab cerca de Chicago se observan en dos detectores, uno muy cerca de donde se produce el haz (el detector cercano ) y otro detector mucho más grande a 735 km de distancia en el norte de Minnesota ( el detector lejano ).
El experimento MINOS comenzó a detectar neutrinos del haz NuMI en febrero de 2005. El 30 de marzo de 2006, la colaboración MINOS anunció que el análisis de los datos iniciales, recopilados en 2005, es consistente con las oscilaciones de neutrinos, y los parámetros de oscilación son consistentes con Super -K medidas. [1]
MINOS recibió los últimos neutrinos de la línea de rayos NUMI a la medianoche del 30 de abril de 2012. [2] [3] Se actualizó a MINOS+ , que comenzó a tomar datos en 2013. [4] El experimento se cerró el 29 de junio de 2016, y el detector lejano ha sido desmantelado y retirado. [5]
Detectores
Edificio de servicios MINOS en Fermilab, la entrada a la sala subterránea MINOS que alberga el detector cercano. [6]
Hay dos detectores en el experimento.
El detector cercano es similar en diseño al detector lejano, pero de menor tamaño y con una masa de980 toneladas (t). Está ubicado en Fermilab, a unos cientos de metros del objetivo de grafito con el que interactúan los protones , y aproximadamente a 100 metros bajo tierra. La puesta en servicio del detector de proximidad finalizó en diciembre de 2004 y ahora está en pleno funcionamiento.
El detector lejano tiene una masa de5,4 nudos . Está ubicado en la mina Soudan en el norte de Minnesota, a una profundidad de 716 metros. El detector lejano ha estado en pleno funcionamiento desde el verano de 2003 y ha estado tomando datos de rayos cósmicos y neutrinos atmosféricos desde el inicio de su construcción.
Ambos detectores MINOS son calorímetros de muestreo de centelleador de acero hechos de planos alternos de centelleadores de acero magnetizado y plástico . El campo magnético hace que la trayectoria de un muón producido en una interacción muón-neutrino se doble, lo que permite distinguir las interacciones con neutrinos de aquellas con antineutrinos. Esta característica de los detectores MINOS le permite a MINOS buscar violaciones de CPT con neutrinos y antineutrinos atmosféricos.
haz de neutrinos
NuMI Target Hall (izquierda), el punto de partida del túnel NuMI con el inyector principal al fondo. [7]
Para producir la línea de luz NuMI , pulsos de protones del inyector principal de 120 GeV alcanzan un objetivo de grafito refrigerado por agua . Las interacciones resultantes de los protones con el material objetivo producen piones y kaones , que se enfocan mediante un sistema de cuernos magnéticos . Los neutrinos de las desintegraciones posteriores de piones y kaones forman el haz de neutrinos . La mayoría de ellos son neutrinos muónicos, con una pequeña contaminación por neutrinos electrónicos . Las interacciones de neutrinos en el detector cercano se utilizan para medir el flujo inicial de neutrinos y el espectro de energía. Debido a que interactúan débilmente y, por lo tanto, normalmente atraviesan la materia, la gran mayoría de los neutrinos viajan a través del detector cercano y los 734 kilómetros de roca, luego a través del detector lejano y hacia el espacio. En el camino hacia Soudan, alrededor del 20% de los neutrinos muónicos oscilan hacia otros sabores .
Objetivos y resultados de la física.
MINOS mide la diferencia en la composición del haz de neutrinos y la distribución de energía en los detectores cercanos y lejanos con el objetivo de producir mediciones precisas de la diferencia de masa al cuadrado de los neutrinos y el ángulo de mezcla . Además, MINOS busca la aparición de neutrinos electrónicos en el detector lejano y medirá o establecerá un límite en la probabilidad de oscilación de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos.
El 29 de julio de 2006, la colaboración MINOS publicó un artículo en el que presentaba sus mediciones iniciales de los parámetros de oscilación a partir de la desaparición de neutrinos muónicos. Estos son: Δ m2 23=2.74+0,44 −0,26× 10 −3 eV 2 /c 4 y sen 2 (2 θ 23 ) > 0,87 ( límite de confianza del 68% ). [8] [9]
En 2008, MINOS publicó un resultado adicional utilizando más del doble de los datos anteriores (3,36 × 10 20 protones en el objetivo; esto incluye el primer conjunto de datos). Ésta es la medida más precisa de Δ m 2 . Los resultados son: Δ m2 23=2.43+0,13 −0,13× 10 −3 eV 2 /c 4 y sen 2 (2 θ 23 ) > 0,90 ( límite de confianza del 90% ). [10]
En 2011, los resultados anteriores se actualizaron nuevamente, utilizando una muestra de datos de más del doble (exposición de 7,25 × 10 20 protones en el objetivo) y una metodología de análisis mejorada. Los resultados son: Δ m2 23=2.32+0,12 −0,08× 10 −3 eV 2 /c 4 y sen 2 (2 θ 23 ) > 0,90 (límite de confianza del 90%). [11]
En 2010 y 2011, MINOS publicó resultados según los cuales existe una diferencia en la desaparición y, en consecuencia, en las masas entre antineutrinos y neutrinos, lo que violaría la simetría CPT .[12] [13] [14]
Sin embargo, después de que se evaluaron datos adicionales en 2012, MINOS informó que esta brecha se ha cerrado y ya no hay exceso. [15] [16]
Los resultados de rayos cósmicos del detector lejano MINOS han demostrado que existe una fuerte correlación entre los rayos cósmicos de alta energía medidos y la temperatura de la estratosfera . Esta es la primera vez que se demuestra que las variaciones diarias en los rayos cósmicos secundarios de un detector de muones subterráneo están asociadas con fenómenos meteorológicos a escala planetaria en la estratosfera, como el repentino calentamiento estratosférico [17] , así como el cambio de estaciones. [18] El detector lejano MINOS también es capaz de observar una reducción de los rayos cósmicos causada por el Sol y la Luna . [19]
Tiempo de vuelo de los neutrinos.
En 2007, un experimento con los detectores MINOS encontró que la velocidad de3 neutrinos GeV para ser1.000 051 (29) c con un nivel de confianza del 68% y con un nivel de confianza del 99% un rango entre0,999 976 c a1.000 126 céntimos . El valor central era mayor que la velocidad de la luz; sin embargo, la incertidumbre fue lo suficientemente grande como para que el resultado tampoco descartara velocidades menores o iguales a la luz en este alto nivel de confianza. [20] [21]
Después de que se actualizaron los detectores del proyecto en 2012, MINOS corrigió su resultado inicial y encontró una concordancia con la velocidad de la luz, con una diferencia en los tiempos de llegada de −0,0006% (±0,0012%) entre los neutrinos y la luz. Se realizarán más mediciones. [22]
Referencias
^ "El experimento MINOS arroja luz sobre el misterio de la desaparición de neutrinos" (Presione soltar). 30 de marzo de 2006. Archivado desde el original el 19 de septiembre de 2007 . Consultado el 3 de agosto de 2009 .
^ "Rangos de subejecución del período de ejecución de MINOS (MRPRSR)" . Consultado el 4 de noviembre de 2012 .
^ de Jong, Jeffrey (12 de septiembre de 2012). "Resultados 'finales' de MINOS" (PDF) . Consultado el 13 de diciembre de 2012 .
^ Tzanankos, G; et al. (2011). "MINOS+: una propuesta a FNAL para ejecutar MINOS con el haz NuMI de energía media" (PDF) . Fermilab-Propuesta-1016 .
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^ Basu, Paroma (30 de marzo de 2006). "Los físicos dicen que un experimento multimillonario avanza sin problemas". Wisconsin en línea . Consultado el 14 de agosto de 2015 .
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