Avanzando en la detección de partículas con un scintillator líquido a base de agua

Los detectores de centelleo líquido a base de agua (WbLS) son un tipo de sensor que puede detectar partículas, como neutrinos, observando la luz. Estos detectores usan una mezcla especial de agua y materiales orgánicos para producir luz cuando partículas energéticas pasan a través de ellos. Midiendo esta luz, los científicos pueden aprender más sobre las propiedades de estas partículas.

Recientemente, se construyó un detector WbLS de 1 tonelada en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Esta investigación busca mejorar cómo funcionan estos detectores y probar sus capacidades. El detector está diseñado para tener una buena cobertura para detectar niveles muy bajos de luz, lo que le permite recopilar información valiosa sobre las partículas que lo atraviesan.

#¿Por qué usar centelleadores líquidos a base de agua?

Los detectores WbLS son útiles porque pueden detectar dos tipos de luz: Luz Cherenkov y Luz de Centelleo. La luz Cherenkov se produce cuando una partícula cargada se mueve más rápido que la luz en un medio, mientras que la luz de centelleo se produce cuando una partícula interactúa con el material en el detector. Al combinar ambos tipos de detección de luz, los detectores WbLS pueden mejorar su sensibilidad y ayudar a los científicos a rechazar señales no deseadas de otras fuentes.

Esta tecnología ya ha demostrado ser efectiva en otros proyectos, como los detectores Borexino y SNO+. Ambos fueron exitosos en medir neutrinos de baja energía utilizando diferentes tipos de material de centelleo. Ahora, los investigadores quieren escalar esta tecnología a detectores más grandes que puedan proporcionar aún mejor sensibilidad.

WbLS tiene varias ventajas. Primero, se puede personalizar para producir diferentes cantidades de luz, dependiendo de las necesidades específicas de la investigación. Segundo, su capacidad para identificar partículas a través de la separación de Cherenkov y centelleo ayuda a reducir el ruido de fondo. Finalmente, WbLS puede mezclarse con diferentes metales para mejorar su efectividad en la captura de tipos específicos de partículas.

#El diseño y construcción del detector WbLS de 1 tonelada

El nuevo detector WbLS de 1 tonelada está alojado en un tanque cilíndrico hecho de acrílico transparente, permitiendo que la luz pase y sea capturada si se produce. El tanque tiene aproximadamente 1150 mm de diámetro y 1275 mm de altura, diseñado para contener una tonelada de agua. Para garantizar la seguridad, el tanque está hecho para resistir impactos y tiene una pared gruesa.

Para evitar que el aire exterior contamine el líquido dentro, se mantiene una capa de gas nitrógeno por encima del líquido en el tanque. Esta configuración ayuda a mantener la solución a base de agua estable durante períodos prolongados.

Dentro del tanque, varios instrumentos capturan la luz producida. El detector utiliza 58 tubos fotomultiplicadores (PMT) para detectar esta luz. Estos tubos están dispuestos para asegurar la máxima cobertura del área superficial del tanque. El diseño tuvo en cuenta cómo interactuaría la luz con el agua y el material acrílico, minimizando la dispersión y maximizando la eficiencia de detección.

#Sistema de circulación y filtración

Un aspecto clave de la funcionalidad del detector WbLS es su sistema de circulación y filtración. Este sistema asegura que el líquido permanezca limpio y bien mezclado. Consiste en una bomba, una unidad de filtración y sensores para monitorear la calidad del agua.

Para mantener agua de alta calidad, se trata para lograr una resistividad muy alta, lo cual es crucial para el funcionamiento de WbLS. El líquido dentro del tanque puede circular durante semanas sin necesidad de tratamiento adicional. Esto es significativo porque mantiene estables las propiedades ópticas del líquido y permite mediciones consistentes.

El método utilizado para mezclar el centelleador en el agua es innovador. En lugar de tener que mezclarlos por separado y transportar grandes cantidades de líquido, el nuevo sistema permite mezclar directamente en el tanque. Esta simplificación ahorra tiempo y reduce la necesidad de equipos extra.

#Pruebas iniciales y calibración

Una vez que se construyó el detector, las pruebas iniciales se centraron en entender su rendimiento con agua pura y la mezcla de WbLS. Usando una fuente de luz LED de baja intensidad, los investigadores pudieron medir qué tan bien respondían los PMT a la luz y calibrarlos en consecuencia.

Este proceso de calibración involucró ajustar la configuración de los PMT para asegurarse de que todos fueran igualmente sensibles. El objetivo era tener una respuesta consistente entre todos los sensores, lo que permitía una recolección de datos precisa.

Durante la fase de pruebas, los investigadores identificaron un problema con la fuente de alimentación de alto voltaje, que afectó la estabilidad de los datos. Este problema se solucionó reparando el equipo, y la prueba continuó con los ajustes calibrados.

#Análisis de la producción de luz

Después de que el detector comenzó a operar en diferentes configuraciones, los investigadores recopilaron datos sobre la luz producida cuando los muones pasaban a través del tanque. Usando muones de rayos cósmicos-partículas de alta energía del espacio exterior-los científicos pudieron evaluar qué tan bien estaba funcionando el detector.

Al comparar las mediciones de agua pura y la mezcla de WbLS, los investigadores notaron un aumento significativo en la producción de luz con el WbLS. Esto confirmó que el nuevo líquido era efectivo para mejorar las capacidades de detección del detector.

La producción de luz medida de los muones en la mezcla de WbLS fue significativamente mayor que en agua pura, demostrando el valor de este nuevo material en experimentos de física de partículas.

#Mejoras continuas y trabajo futuro

El éxito del detector WbLS de 1 tonelada en el Laboratorio Nacional de Brookhaven es solo el comienzo. Los investigadores planean seguir mejorando la tecnología, mirando cómo diferentes formulaciones de WbLS pueden mejorar aún más el rendimiento.

Los futuros experimentos incluirán probar configuraciones a mayor escala, quizás incluso detectores del tamaño de un kilotonelada, para llevar al límite la sensibilidad en la medición de diversas interacciones de neutrinos. Los investigadores también planean explorar aplicaciones adicionales para WbLS, ampliando potencialmente su utilidad en otros campos de la ciencia.

#Conclusión

El desarrollo del detector WbLS de 1 tonelada marca un emocionante avance en el mundo de la detección de partículas. Aprovechando las propiedades únicas de los centelleadores a base de agua, los científicos pueden lograr mejor sensibilidad y precisión en sus mediciones. A medida que esta tecnología se refina, tiene un gran potencial para avanzar en nuestra comprensión de partículas fundamentales y su comportamiento.

Este nuevo enfoque combina materiales innovadores, ingeniería cuidadosa y un enfoque en aplicaciones prácticas, llevando el campo de la física de partículas hacia el futuro con nuevas posibilidades de descubrimiento. Los investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven están comprometidos a expandir los límites de lo que es posible, y el impacto de su trabajo se sentirá en múltiples disciplinas científicas en los próximos años.