Hasta hace poco se creía que las partículas de neutrinos no tenían masa, pero ahora la teoría es que sí la tienen, con un valor muy pequeño, además de presentarse en tres «sabores» diferentes que pueden alternar. A menudo denominadas partículas fantasma, estudiarlas es muy difícil, ya que suelen atravesar la mayor parte de la materia normal sin obstáculos y sin ser detectadas, por lo que hay que construir detectores especializados para cazarlas. El último se llama JUNO, está situado a 750 metros bajo tierra en Jiangmen (China) y ha sido posible gracias a 17 países diferentes con 730 científicos que trabajan en 74 universidades y laboratorios nacionales, que han unido sus fuerzas en este proyecto de 400 millones de euros. Para desarrollar la parte central del detector, el centelleador líquido, se utilizan tarjetas digitalizadoras ultrarrápidas de Spectrum Instrumentation.

El detector principal de JUNO se encuentra a 750 metros bajo tierra en un laboratorio especializado. La foto muestra la piscina de agua (aún vacía) del detector con el andamiaje central. Dentro de este globo se coloca la esfera acrílica de 34,5 m de diámetro, llena del centelleador líquido. La cubierta blanca sólo protege los componentes sensibles durante el montaje.

JUNO está situado con precisión entre ocho reactores nucleares existentes que proporcionan una fuente de neutrinos para su estudio. En su corazón se encuentra una gigantesca esfera acrílica muy transparente de 34,5 m de diámetro interior, llena de 20.000 toneladas de una sustancia oleosa especialmente desarrollada. Este centelleador líquido crea fotones cuando un neutrino interactúa con él, y está encerrado en una gran piscina de agua de 35.000 toneladas. Los fotones son detectados por un conjunto de unos 45.000 tubos fotomultiplicadores (PMT) que rodean la esfera. Los equipos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia utilizan tarjetas digitalizadoras M4i.2212 de Spectrum Instrumentation en sus experimentos de alta precisión a escala de laboratorio para caracterizar los centelleadores líquidos, que requieren una adquisición de datos avanzada. Cuando el detector JUNO entre en servicio a finales de 2024, será el mayor detector de neutrinos líquidos construido por la humanidad. El detector mejorará drásticamente nuestros conocimientos sobre las interacciones y propiedades de estas esquivas partículas fantasma.

Cinemática típica de emisión de luz para una mezcla de centelleo líquido lento. La luz Cherenkov (línea roja) en forma de un pico agudo en el tiempo es seguida por el decaimiento más lento de la luz de centelleo (línea verde).

Detección de neutrinos
La esfera acrílica central contiene el centelleador líquido rodeado de una capa de agua. Ambos tienen que ser ultrapuros, ya que la más mínima contaminación podría contener un material radiactivo. Durante la construcción, los trabajadores tuvieron que llevar dos pares de guantes, ya que incluso el sudor de una huella dactilar podría contaminar y arruinar todo el proyecto. El detector se encuentra en un espacio especialmente excavado a 750 m bajo tierra para protegerlo de la radiación ambiental.

Cuando un neutrino interactúa con el centelleador líquido (LS), deposita la energía de la interacción en las moléculas de esta sustancia. La enorme emisión de luz del LS (típicamente > 10.000 Fotones / MeV) garantiza una determinación precisa de la energía depositada. Sería muy beneficioso poder reconstruir también la dirección del neutrino incidente. En este caso, la débil pero direccional luz Cherenkov del paso inicial del neutrino a través del agua se empareja para proporcionar a los físicos esta información.

El objetivo del desarrollo actual de centelleadores líquidos en Múnich y Maguncia es separar la luz Cherenkov rápida pero débil de la luz de centelleo dominante para permitir la reconstrucción simultánea energética y direccional. Por ello, el equipo del Dr. Hans Steiger construyó varios experimentos de precisión de sobremesa con mayor capacidad de captación de luz y resolución temporal.

«Elegimos las tarjetas digitalizadoras de Spectrum porque nos proporcionan un rendimiento de vanguardia pero, a diferencia de las ofertas de la competencia, no son caras ni creaciones a medida», afirma el Dr. Hans Steiger, que dirige el proyecto. «El enfoque modular de Spectrum significa que podíamos especificar exactamente lo que necesitábamos que hicieran las tarjetas, por lo que no teníamos que hacer concesiones ni malgastar dinero en funciones no deseadas. Me encanta el hecho de que sean un producto PCIe estándar, de modo que podemos ampliar el sistema en un chasis de ordenador estándar a medida que recibimos más fondos». Como universidad que participa en grandes proyectos internacionales a largo plazo, necesitamos contar con piezas fiables y la garantía de cinco años de Spectrum nos da tranquilidad.»

El digitalizador PCIe M4i.2212-x8 de Spectrum Instrumentation con velocidad de muestreo de 1,25 GS/s en 4 canales.

Los resultados de JUNO también impulsan la investigación astronómica
Además del trabajo de reconstrucción de sucesos, el equipo aporta a JUNO un proyecto de calibración. En él se caracteriza el material detector utilizando fuentes radiactivas de rayos gamma y neutrones cuya energía y dirección de incidencia están predeterminadas. «Nuestras caracterizaciones de los centelleadores líquidos sólo son posibles gracias a las tarjetas digitalizadoras ultrarrápidas que nos permiten trabajar con marcos temporales que se miden en picosegundos. Además, el rango dinámico de 5V es mucho mejor que el de sus rivales, que suelen ser de 1V, lo que significa que pueden gestionar fácilmente los pulsos de 3V de nuestros PMT con los que nos encontramos», señaló Meishu Lu, estudiante de doctorado del grupo de la TUM. Y Manuel Böhles, que trabaja en Maguncia, añade: «Spectrum nos ha ayudado mucho a encontrar las mejores soluciones para nuestro proyecto y a resolver cualquier problema con una llamada telefónica directa a uno de sus ingenieros. Es estupendo que se comprometan a apoyar la investigación fundamental en muchas universidades como la nuestra».

El diagrama muestra el primer pulso de la radiación Cherenkov seguido de la señal de centelleo que da la información energética. Esto ocurre en menos de dos nanosegundos. Combinando esta información, se puede determinar el tipo de partícula y su procedencia. Puede ser de uno de los reactores chinos, del sol, del corazón de la Tierra o del espacio profundo. «Nunca antes habíamos podido saber con exactitud de dónde procedía un neutrino en los detectores de centelleo, así que esto abre campos de investigación completamente nuevos», explica el Dr. Steiger. «Si, por ejemplo, una estrella moribunda, o la llamada supernova, emite grandes cantidades de neutrinos en el cielo, ahora podemos no sólo ver los neutrinos, sino también reconstruir con gran precisión el punto del cielo en el que se produjo la explosión. En efecto, ahora disponemos de un telescopio para observar estas diferentes fuentes de neutrinos y comprender mejor los procesos. Al detectar luz en todo el espectro, ondas gravitacionales y ahora también neutrinos con alta estadística, resolución energética y direccionalidad, se inicia una nueva era de la astronomía multimensajero».

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