Detectando neutrinos producidos por aceleradores en un pajar cósmico


Los físicos han desarrollado nuevas herramientas para ayudar a atenuar el «ruido» cósmico cuando buscan signos de partículas llamadas neutrinos en detectores ubicados cerca de la superficie de la Tierra. Este método combina técnicas de cribado de datos con métodos de reconstrucción de imágenes similares a las tomografías computarizadas (TC) utilizadas en medicina. Hace que las señales de los neutrinos producidos por un acelerador de partículas se destaquen contra la «red» de huellas producidas por los rayos cósmicos. Estos viajeros cósmicos son 20.000 veces más numerosos que las interacciones de neutrinos en el detector. Filtrar las muchas huellas de los rayos cósmicos debería mejorar los experimentos en la superficie de la Tierra que buscan comprender el comportamiento de los neutrinos subatómicos.

Los científicos desarrollaron la nueva técnica para el detector MicroBooNE. MicroBooNE es uno de los tres detectores que rastrean los neutrinos producidos por un acelerador en Fermilab. Los científicos están tratando de entender cómo cambian estas partículas subatómicas entre tres «sabores» contando el número de cada tipo a diferentes distancias del acelerador. Detectar discrepancias en los recuentos de neutrinos podría ayudar a los científicos a comprender el mecanismo de cambio de sabor, llamado oscilación. También podría indicar la existencia de una cuarta variedad de neutrinos. El enfoque debería funcionar en todos los detectores de neutrinos basados ​​en la superficie, donde los rayos cósmicos pueden oscurecer las señales, y beneficiará a todo el programa de investigación de neutrinos de EE. UU.

Los detectores de neutrinos en la superficie de la Tierra necesitan seleccionar las señales de las esquivas interacciones de neutrinos del «ruido» de fondo de los rayos cósmicos. MicroBooNE detecta las huellas producidas cuando las partículas cargadas de las interacciones de los neutrinos ionizan los átomos de argón en el detector. Tres planos de cables en el experimento MicroBooNE son sensibles a los electrones en las estelas de ionización. Cada plano captura una imagen de la pista en dos dimensiones. Las computadoras ensamblan las imágenes 2D en pistas 3D, de manera similar a la forma en que los escáneres de tomografía computarizada (TC) reconstruyen imágenes 3D de órganos internos a partir de instantáneas 2D «en forma de corte» del cuerpo humano. En MicroBooNE, la forma de la pista les dice a los científicos qué sabor de neutrino desencadenó la interacción. Para eliminar miles de huellas producidas por los rayos cósmicos, los científicos primero comparan las señales de las huellas con destellos de luz que también se producen en las interacciones de los neutrinos. El equipo desarrolló algoritmos para ayudar a comparar el tiempo y los patrones de luz de cada tubo fotomultiplicador en el detector con las ubicaciones de todas las pistas de las partículas. Ninguna coincidencia significa que no es un evento de neutrinos. También desarrollaron métodos para eliminar las pistas que atraviesan completamente el detector y detectar las pistas que se originan en el detector, en lugar de afuera, completando el trabajo de concentrarse en los eventos de neutrinos.

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