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The Short Baseline Neutrino program (SBN) es uno de los experimentos que puede romper la física de partículas en los próximos años. Hace unas semanas estuvimos hablando sobre un tipo de partículas muy características del universo a las cuales denominamos neutrinos. En este nuevo post busco acercar al público general a un tipo de física que suele estar abandonada en la etapa académica pero que es tanto o más importante que la que se suele impartir en ella. Hablamos de la física experimental, y en concreto la física experimental de partículas. Para ellos vamos a hablar del trabajo que se realiza en uno de los centros de investigación más importantes del mundo, Fermilab. También entenderemos en qué consiste, a nivel técnico, medir oscilaciones de neutrinos. Si quieres tener hoy una idea más cercana a lo que se hace realmente en física, quédate con nosotros.

Haciendo física experimental real en el SBN.

Física experimental en el laboratorio de Fermilab.

Lo primero que vamos a hacer es tener una breve introducción sobre dónde se ubica y qué es Fermilab. Se trata de un laboratorio de altas energías situado en la ciudad de Batavia, a unos 50 km de la ciudad de Chicago. En él se realizan diversos experimentos relacionados con la física de partículas, y en particular se ha puesto en marcha el Short Baseline Neutrino Program, que espera poder testar la hipótesis del neutrino estéril. De este programa es del que vamos a hablar hoy y el que usaremos como referencia para poder entender algunos conceptos de la física experimental.

Breve ideal sobre lo que consiste el neutrino estéril.

El neutrino estéril, que es la partícula que sostiene la línea principal de investigación del SBN, es un tipo de partícula hipotética que podría romper con las bases del modelo estándar actual. Se trata de un neutrino masivo (con respecto al resto de los neutrinos del modelo estándar) que interacciona “a priori” solamente mediante la la fuerza gravitatoria. La hipótesis de la existencia de esta partícula surge del hecho de que durante varios años, distintos experimentos de oscilaciones de neutrinos han reportado distintas anomalías en sus resultados. Estas anomalías indicaban una posible existencia de un cuarto estado de masa de neutrino al que oscilaban el resto de las familias del modelo estándar. Su existencia no está probada aún y es por ello que se está buscando nuevos experimentos cada vez más sensibles, como el SBN.

En física experimental hay que darle al coco, caso particular del SBN.

Y es que no es tan fácil detectar una partícula que no interacciona con prácticamente nada. Para ello se necesita de un esfuerzo tecnológico y técnico muy amplio. En el SBN se utilizan cámaras de proyección temporal de argón líquido, usualmente denotadas por LAr-TPCs. Estas cámaras son capaces de dar información sobre los distintos eventos que tienen lugar cuando las partículas llegan al detector. Por otro lado, para asegurar la fiabilidad y apuesta por el experimento, se hacen uso de estudios de sensibilidad donde se pone a prueba la capacidad que tiene el mismo para poder testar hipótesis a cierto grado de probabilidad. Ambas características las discutiremos brevemente a lo largo de este artículo.

Fenomenología del experimento SBN.

Cámaras de proyección temporal de Argón Líquido como detectores del SBN.

Una cámara de proyección temporal de argón líquido consiste en una caja llena de Argón líquido, donde a ambos lados de la caja se sitúan una toma de corriente que hace la función de ánodo y otra que hace la función de cátodo. Esta tecnología fue inicialmente propuesta por Carlo Rubia [1]. La idea principal de detección surge así: cuando un neutrino llega a lo que se denomina volumen activo (que no es más que el volumen donde se sitúa el Argón Líquido), este interacciona con el átomo de argón. Cuando colisionan, se producen un conjunto de partículas cargadas, estas partículas cargadas ionizan el resto de átomos del volumen. Los electrones que surgen de estas ionizaciones son arrastrados mediante un campo eléctrico a nuestros detectores. Así conseguimos una especie de traza que han seguido estas partículas tras la colisión. Esto nos permite calcular propiedades como el momento o la masa. Una imagen muy ilustrativa de este funcionamiento se puede encontrar en un vídeo interactivo desarrollado por Fermilab [2].

Estudios de sensibilidad en el SBN: Simulación de los datos del experimento.

Para entender en qué consiste los análisis de sensibilidad de los detectores, debemos entender primeramente cómo se trabaja en el campo de física de partículas experimental. Si queremos demostrar la sensibilidad de un detector, primero debemos hacer una simulación de lo que esperamos obtener tras un periodo de varios años de toma de datos. Para ello haremos uso de los datos publicados en la proposal de 2015 [3]. Lo que se obtiene es algo como lo de la figura 1, para los uno de los detectores del programa.

Figura 1: Eventos esperados para el detector lejano ICARUS T600 (derecha). Cada uno de los colores va asociado a un tipo distinto de evento que se espera. En las distintas tonalidades de verde se observan los eventos de corriente cargada (CC) para los neutrinos del electrón. En naranja son los eventos relacionados con los fotones y el morado con los eventos CC pero donde aparecen los neutrinos del muón. Estos datos que se muestran son resultado del estudio en el canal de aparición.

Una vez que se obtienen estas figuras, se procede a obtener algo parecido a lo de la figura 2. En esta, lo que se hace es oscilar los eventos obtenidos dentro de un marco teórico u otro, en nuestro caso en aquel donde se tiene en cuenta la oscilación del neutrino estéril. De esta forma ya contamos con todos los datos para poner a prueba la sensibilidad de nuestro experimento.

Figura 2: Se muestran los eventos explorados en la figura 1 junto con un nuevo conjunto de datos relacionados con el nombre Signal y que hacen referencia a la señal de oscilación que tendríamos si consideráramos una oscilación dentro del marco teórico donde aparece el neutrino estéril. Estos datos están oscilados para el detector ICARUS T600 en el canal de aparición.

Estudios de sensibilidad en el SBN: Matemáticas aplicadas al experimento.

Una vez que se tienen los datos necesarios de los que partir, lo que se realiza es un estudio de sensibilidad haciendo uso de la estadística. Para este caso concreto de experimento se construye lo que se denomina la función likelihood, que es una función de probabilidad en un espacio de parámetros bidimensional. Los dos parámetros principales son los que se denominan ángulo de mezcla y \Delta m que sirven para caracterizar las propiedades físicas del neutrino. Esta función viene expresada por la ecuación 1 y nos da una idea de cuánto se nos va a ir nuestro modelo hipótesis (neutrino estéril) (\mu_{i}) del marco actual, el marco de tres familias (n_{i}).

\chi^{2}=-2log(L)=2\sum_{i}^{N_{bins}}\mu_{i}(\theta)-n_{i}+n_{i}log\left(\frac{n_{i}}{\mu_{i}(\theta)}\right)Ecuación 1

En una analogía (aunque no se debe entender a rajatabla) unidimensional esta función puede hacer las veces de chi cuadrado y básicamente la usamos, repitiéndome nuevamente, para testar una cierta hipótesis. Una vez que se tiene construida, lo que se suele hacer es dibujar las líneas a 3\sigma y 5\sigma junto con zonas permitidas de los parámetros obtenidas de fits globales de otros estudios [6], [7]. Se obtiene algo parecido a lo de la figura 3 [4].

Figura 3: Estudio de sensibilidad final en el canal de aparición. Vemos como se representan las líneas mencionadas junto con las regiones más probables de los parámetros. En la imagen también se incluyen regiones permitidas para el experimento LSND

No me extenderé sobre la explicación de lo que significan las 3\sigma y 5\sigma, solo diré que tiene que ver con la capacidad de medir un punto alejado suficientemente de la media y con una cierta probabilidad de que este no se deba a fluctuaciones estadísticas, sino más bien a que hay algo que no se considera en nuestro modelo teórico. Para más información, encontré una portada muy interesante en el blog de Francis R. Villatoro, el cual recomiendo encarecidamente, que trata sobre este tema [5].

Conclusiones.

La interpretación de la figura 3 puede resultar complicada para todo aquel que no esté familiarizado con estos temas. Pero le aseguro que en cuanto comentemos un par de detalles le resultará más fácil de lo que en su día fue aprender a multiplicar. Las líneas que hemos dibujado a “x” sigmas nos están acotando el espacio de parámetros a la zona donde el detector puede medir cosas (de la línea hacia la derecha del cuadro). Si las zonas más probables (verdes) caen dentro de esta zona permitida, entonces el experimento es un gran candidato a poder testar la hipótesis que se necesita. Así es, por ejemplo, como se justifica la construcción de los experimentos desde un punto de vista experimental. ¡Y es que por mucho que nos duela hay que justificar las inversiones que se reciben de forma externa! Espero haya disfrutado el lector de este inusual artículo, para más no dude en preguntarme a través de mis redes sociales o comentando este post.

Referencias

  1. C. Rubbia, “The Liquid Argon Time Projection Chamber: A new concept for neutrino detectors”, 5, 1977.
  2. https://www.youtube.com/watch?v=R5G1_hW0ZUA
  3. arXiv:1503.01520 [physics.ins-det]
  4. arXiv:1903.04608 [hep-ex]
  5. https://francis.naukas.com/2012/06/29/que-significan-cinco-sigmas-para-el-descubrimiento-del-boson-de-higgs/
  6. arXiv:1703.00860 [hep-ph]
  7. arXiv:1803.10661 [hep-ph]

Miguel Jimenez Ortega

Estudiante de último curso de Física en la Universidad de Granada (UGR). Apasionado de la física y las matemáticas, trabajando por una divulgación científica clara e interesante.

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