Avances en la tecnología de detección de eventos nucleares

En la búsqueda de eventos nucleares raros, los científicos están probando nuevos detectores en una instalación subterránea en España. Estos detectores están diseñados para buscar un tipo específico de desintegración nuclear conocida como desintegración doble beta. Para esto, están utilizando dos tipos de bolómetros centelleantes hechos de materiales cristalinos especiales.

#¿Qué es un Bolómetro Centelleante?

Un bolómetro centelleante es un dispositivo que puede detectar la luz y el calor generados por interacciones con partículas nucleares. Cuando ciertas partículas golpean el cristal, producen luz y calor. El bolómetro captura ambas señales y permite a los investigadores analizar la energía de las interacciones, proporcionando datos importantes para entender procesos nucleares raros.

#La Ubicación y el Montaje

Las pruebas se llevan a cabo en el laboratorio subterráneo Canfranc, también conocido como la instalación CROSS. Este laboratorio ha sido equipado con un nuevo sistema de suspensión de detectores que ayuda a reducir el ruido y la vibración, que pueden interferir con las mediciones. La instalación utiliza un tipo especial de sistema de refrigeración que puede alcanzar temperaturas muy bajas, esenciales para el funcionamiento de estos detectores sensibles.

#Los Cristales Usados en los Detectores

Los dos cristales principales utilizados en esta investigación son el tungstato de cadmio (CdWO4) y el molibdato de litio (Li2MoO4). El cristal de CdWO4 ya ha sido probado previamente y se utiliza como detector de referencia. El cristal de Li2MoO4 se ha desarrollado recientemente a través de un proyecto destinado a mejorar la tecnología de detectores para experimentos de próxima generación.

Ambos cristales tienen propiedades prometedoras para detectar los niveles de energía específicos asociados con la desintegración doble beta. Cuando las partículas interactúan con estos materiales, producen luz, que luego es capturada por detectores de luz acoplados a los cristales.

#Logros en Refrigeración y Rendimiento

Los investigadores lograron enfriar los detectores a 15 mK, que está muy cerca del cero absoluto. A estas bajas temperaturas, los detectores mostraron un rendimiento excelente, especialmente en la resolución de energía. El detector de CdWO4 demostró una resolución de 6 keV, que está entre las mejores para detectores térmicos hechos de estos materiales.

El detector de Li2MoO4 también mostró buena resolución de energía, lo que lo convierte en un fuerte candidato para experimentos futuros centrados en desintegraciones nucleares raras.

#Estrategias de Reducción de Ruido

En la instalación mejorada, las condiciones de ruido se mejoraron significativamente. Los investigadores descubrieron que el nuevo sistema de suspensión redujo efectivamente las vibraciones causadas por el equipo de refrigeración. Sin embargo, todavía se detectó algo de ruido de alta frecuencia, lo que indica que se podrían hacer más mejoras en el cableado y el diseño del montaje.

#Importancia de la Radiopureza

La radiopureza se refiere al nivel de contaminación radiactiva en los materiales utilizados para los detectores. Una alta radiopureza es esencial para asegurar que el ruido de fondo no oscurezca las señales de eventos raros. Los cristales de Li2MoO4 utilizados en este proyecto lograron un buen nivel de radiopureza, mostrando solo trazas de elementos radiactivos como Polonio-210 y Radio-226, que están por debajo de los niveles que interferirían con los experimentos.

#Capacidades de Identificación de Partículas

Ambos bolómetros centelleantes mostraron fuertes capacidades para la identificación de partículas. El detector de CdWO4 puede distinguir eficazmente entre diferentes tipos de partículas debido a su alta eficiencia de centelleo. En contraste, el detector de Li2MoO4 mostró una eficiencia de centelleo más baja, pero aún así funcionó bien para la identificación de partículas.

Aplicando una técnica específica de amplificación de señales llamada efecto Neganov-Trofimov-Luke, los investigadores mejoraron el rendimiento de los detectores de luz acoplados a ambos tipos de bolómetros. Esta amplificación permitió una mejor sensibilidad y mejor detección de partículas.

#Resumen de la Desintegración Doble Beta

La desintegración doble beta es un proceso nuclear raro donde un núcleo emite dos electrones en lugar de uno. Esto ocurre en ciertos isótopos y es un área crítica de estudio que busca entender la física fundamental, particularmente en relación con los neutrinos. La búsqueda de la desintegración doble beta es una motivación principal para estos experimentos, ya que descubrir esta desintegración tendría implicaciones significativas para nuestra comprensión de la física de partículas.

#Perspectivas Futuras

La investigación en curso tiene como objetivo mejorar aún más las tecnologías utilizadas en estos detectores. Los avances logrados en este estudio sientan las bases para futuros experimentos centrados en la desintegración doble beta y otros procesos nucleares raros. Los principales objetivos para avanzar incluyen mejorar la sensibilidad del detector, lograr niveles aún mayores de radiopureza y mejorar el diseño general para minimizar la interferencia del ruido.

A medida que estas tecnologías evolucionan, ayudarán a los científicos a aprender más sobre las fuerzas fundamentales de la naturaleza y el comportamiento de las partículas subatómicas, contribuyendo a nuestra comprensión general del universo.

#Conclusión

En resumen, la investigación realizada en la instalación CROSS representa un paso significativo hacia adelante en la búsqueda de detectar eventos nucleares raros. El uso de bolómetros centelleantes avanzados hechos de cristales de CdWO4 y Li2MoO4 demuestra el potencial de estas tecnologías para futuras investigaciones sobre la desintegración doble beta y otras áreas importantes en la física de partículas. Las mejoras continuas en rendimiento, radiopureza y reducción de ruido son cruciales para el éxito de los experimentos de próxima generación que buscan explorar los misterios del universo.