Nuevo detector mejora las mediciones de física de partículas

Se ha instalado un nuevo detector de germanio de alta pureza (HPGe) en el sitio experimental subterráneo de Kamioka. Este nuevo detector está diseñado para tener un conteo de fondo muy bajo, lo que significa que puede detectar señales de manera más precisa sin interferencias de otras fuentes de radiación.

#Mejoras sobre detectores anteriores

Una de las mejoras clave de este nuevo detector es el proceso de limpieza para los materiales de blindaje que lo rodean. Al usar ácido nítrico ultra puro para limpiar estas superficies, la tasa de conteo de fondo se ha reducido en aproximadamente un 25% en comparación con un detector anterior instalado en 2016, que tenía especificaciones similares. Esto significa que el nuevo detector, llamado Ge02, puede proporcionar datos más claros y mediciones más precisas.

#Configuración del blindaje

La configuración de este detector incluye varias capas de blindaje que lo protegen de la radiación de fondo. Este blindaje está hecho de cobre y plomo de alta calidad, lo que ayuda a bloquear la radiación no deseada que podría afectar las lecturas del detector. La cámara de muestra de Ge02 es espaciosa, permitiendo medir muestras más grandes, lo cual es importante para los experimentos en curso.

Para reducir aún más la radiación de fondo del gas radón, la cámara de muestra se llena continuamente con aire libre de radón. La limpieza exhaustiva de los materiales de blindaje y el diseño de la cámara juegan un papel vital en la minimización del ruido de fondo.

#Importancia del cribado de materiales

El cribado de materiales es un paso crucial en experimentos que buscan eventos raros, como la detección de neutrinos. Para proyectos en curso como los experimentos Super-Kamiokande (SK-Gd) y KamLAND-Zen, es importante asegurarse de que los materiales contengan niveles muy bajos de impurezas radiactivas. Por ejemplo, el Gd utilizado en estos experimentos debe tener niveles extremadamente bajos de uranio y torio.

#Especificaciones del detector

El nuevo detector Ge02 tiene una masa de cristal de 1.7 kg, con un nivel de eficiencia del 80%, lo que significa que puede detectar una cantidad significativa de radiación. Está ubicado bajo tierra, bajo una pesada cubierta de roca que ayuda a reducir el número de rayos cósmicos, que pueden interferir con las mediciones. El diseño incluye capas cuidadosas de materiales para proteger contra la radiación y asegurar lecturas precisas.

#Sistema de adquisición de datos

La recolección de datos del Ge02 implica varios componentes. La señal inicial del detector se amplifica y luego se registra con un digitalizador especial. Este sistema está diseñado para captar las señales con precisión y reducir el ruido de interferencias electrónicas. La calibración del detector se realiza regularmente usando fuentes radiactivas conocidas, lo que ayuda a asegurar que sus lecturas se mantengan consistentes y fiables.

#Mediciones de fondo y de muestra

Desde que el nuevo detector HPGe comenzó a operar a finales de 2021, se realizaron tres sesiones de adquisición de datos de fondo a largo plazo. Los espectros de fondo de estas sesiones mostraron una disminución de la radiación con el tiempo. Esta tendencia sugiere que los procesos de limpieza han reducido efectivamente las señales no deseadas de materiales de blindaje anteriores.

Al medir muestras, estas se sellan en bolsas especiales para prevenir la contaminación por radón. Después de colocar una muestra en la cámara, comienza la recolección de datos, pero a menudo se excluyen los datos iniciales del período de despliegue de la muestra para mantener la precisión.

#Resultados y hallazgos

El análisis de los datos recolectados permite a los científicos determinar los niveles de radiactividad en varias muestras. Por ejemplo, el nuevo detector ha mostrado sensibilidad a niveles muy bajos de uranio y torio en muestras de Gadolinio. Esta capacidad tiene implicaciones significativas para la investigación en curso sobre neutrinos y otros eventos raros.

En la práctica, el detector ha medido con éxito la radiactividad de las muestras de Gd. Ha mostrado que, excepto por un isótopo, la mayoría de las muestras no tenían niveles significativos de radiactividad. Este éxito demuestra la efectividad y fiabilidad del detector en el cribado de materiales.

#Conclusión

El desarrollo de este nuevo detector HPGe de bajo fondo marca un logro importante en la búsqueda de mediciones precisas en física de partículas. Al reducir el ruido de fondo y gestionar cuidadosamente los materiales de blindaje, los investigadores pueden obtener datos más precisos, lo que es esencial para experimentos en curso y futuros.

El trabajo continuo con este detector es crucial para experimentos como SK-Gd y KamLAND-Zen que buscan explorar preguntas fundamentales en la ciencia. La colaboración con diversas organizaciones y el apoyo de financiamiento gubernamental lo han hecho posible, y la comunidad científica espera con ansias las valiosas perspectivas que este nuevo detector proporcionará.

A medida que la investigación continúa, la capacidad de medir niveles más bajos de radiactividad mejorará la comprensión de eventos raros y contribuirá aún más a los avances en este campo de estudio. El futuro de estos experimentos ofrece promesas, con el potencial de nuevos descubrimientos que podrían redefinir la comprensión en física de partículas y más allá.