Alrededor de 2010, el físico Juan Estrada del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. estaba trabajando en un instrumento astrofísico llamado Dark Energy Camera. La cámara fue diseñada para estudiar una gran franja del cielo del sur y proporcionar imágenes que podrían dar una idea de la materia oscura y la energía oscura, que según se sabe dan forma a la estructura y apariencia de todo el universo.
Sin embargo, los notables sensores de la Dark Energy Camera le dieron una idea. Se habían vuelto tan sensibles que podrían detectar otras partículas además de la luz. Parecía posible que incluso pudieran captar los rastros de partículas débiles llamadas neutrinos.
Lo harían utilizando un proceso elusivo llamado CEνNS (pronunciado "sevens"), dispersión coherente elástica de neutrinos-núcleo, en el que los neutrinos de una energía particularmente baja pueden rebotar directamente en los átomos de la materia.
Diez años más tarde, después de mucho trabajo, Estrada y un equipo de más de 30 físicos e ingenieros están cerca de lograr su objetivo. Esta cámara de neutrinos, la primera en su tipo, comenzó a funcionar en diciembre de 2014 en el reactor Angra 2 de la Central Nuclear de Angra, la única central nuclear de Brasil. Se llama CONNIE, un acrónimo de Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment.
De DECam a CONNIE
El éxito de CONNIE depende de los sensores que se encuentran en la Dark Energy Camera conocidos como dispositivos acoplados cargados. Los dispositivos de carga acoplada (CCD) son la tecnología central que está detrás de estas cámaras digitales que se utilizan en todo, desde el telescopio espacial Hubble hasta los teléfonos móviles. Durante los últimos cinco años, Estrada y sus colegas han logrado importantes avances en el diseño del CCD. Los fondos para CONNIE provienen del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por los Laboratorios de Fermilab, junto con instituciones miembro de Argentina, Brasil, México, Paraguay y Suiza.
Cuando CONNIE obtenga su próxima actualización, programada para 2021, sus investigadores probablemente detecten al fin los neutrinos de Angra, a través del proceso CEνNS que es similar a una bola de billar.
Los neutrinos se consideran extremadamente extraños en comparación con la mayoría de las demás partículas elementales. Son ubicuos, creados en todo tipo de reacciones nucleares, como las reacciones de fusión que alimentan al sol. Pero son notoriamente distantes, apenas interactúan con las cosas. Un billón de neutrinos solares pasan por nuestras mano cada segundo, durante toda nuestras vida, pero solo alrededor de mil la tocarán y de manera imperceptible.
Las mediciones de neutrinos que los científicos esperan hacer con el detector CONNIE podrían eventualmente servir a uno de los objetivos originales de Juan: aprender más sobre la materia oscura que constituye la masa del 85 % del universo.
Muchos modelos que predicen la existencia de partículas de materia oscura de baja masa también predicen que es más probable de lo que se espera actualmente que los neutrinos interactúen con la materia. CONNIE probará estas predicciones al contar los neutrinos que detecta fuera de Angra. Un recuento mayor al esperado, por ejemplo, sería un apoyo indirecto a este tipo de modelos de materia oscura.
"La idea de detectar la materia oscura realmente impulsa mi curiosidad todos los días", comenta Estrada. "Al mismo tiempo, soy una persona a la que realmente le gusta construir cosas".
La idea de construir su experimento en un reactor surgió del reconocimiento de que los reactores producen un enorme flujo de neutrinos de baja energía (alrededor de 1 MeV). Estrada y su equipo predijeron que sus CCD sensibles deberían detectar al menos algunas partículas de esa enorme producción. Pero cuando consideraron colocar el experimento en un reactor, se dieron cuenta de que tendrían que superar una importante cantidad de restricciones de acceso y de seguridad.
Por fortuna, João Carlos dos Anjos, director del Observatorio Nacional de Brasil, ya estaba realizando un experimento en un contenedor de transporte en la instalación nuclear de Angra. Los miembros del equipo brasileño del nuevo proyecto CONNIE se conectaron con dos Anjos y, con su ayuda, pudieron integrar a CONNIE al experimento existente.
Tras cinco años de desarrollo in situ, CONNIE ha alcanzado la etapa en la que se puede operar de forma totalmente remota a través de Internet. Pero, en ocasiones, la intervención física todavía es necesaria; por ejemplo, las unidades de aire acondicionado pueden fallar y fallan con el calor brasileño.
Estudiar los neutrinos del reactor
El sitio de la instalación nuclear de Angra se encuentra a cuatro horas en automóvil al oeste de Río de Janeiro, a lo largo de caminos empinados que abrazan la costa y atraviesan las montañas. Los vehículos pesados hacen que las carreteras sean peligrosas, pero la zona es considerada una de las más hermosas de la región.
El gran contenedor de transporte en el que se alberga CONNIE parece tan sustancial como un mosquito junto a la gigantesca cúpula de contención blanca del reactor Angra 2. CONNIE en sí es pequeño y compacto. Muchos otros experimentos que detectan neutrinos utilizan enormes contenedores de líquido, con un peso de toneladas métricas. Cuanto más grande sea el objetivo que presenta el líquido, más probable es que atrape un neutrino solitario.
Por el contrario, la pila de 14 CCD que usa CONNIE parece un conjunto de platos elegantes pequeños, que pesan menos de un kilogramo. Pero lo que les falta a las placas en masa, lo compensan con sensibilidad: su capacidad para presenciar el paso de partículas a través de ellas.
Cuando las partículas pasan a través de los CCD de CONNIE e interactúan con su material, los sensores acumulan carga eléctrica, como los cubos de lluvia atrapando agua. Esto se debe a que los CCD son en realidad chips de silicio impresos. Las partículas entrantes eliminan los electrones cargados de los átomos de silicio de los chips, o golpean los núcleos que a su vez eliminan los electrones de otros átomos. Unas cuantas veces al día, los investigadores activan el circuito CCD que vacía esta carga, cuya cantidad se correlaciona con la cantidad de partículas que pasaron a través del CCD.
Sin embargo, la mayor parte de esta carga está creada por partículas de fondo distintas de los neutrinos, como los rayos cósmicos que se originan en la atmósfera y golpean el detector. Para saber cuánta carga recolectada fue causada por los neutrinos, los físicos comparan los recuentos del CCD cuando el reactor está encendido (y los neutrinos están en combustión) con los recuentos cuando el reactor está apagado. (El reactor se apaga cada 15 meses para un mantenimiento de rutina). Si CONNIE está capturando neutrinos del reactor, debería notar una caída en las interacciones cuando el reactor está apagado.
“La estrategia de análisis es cantidad del reactor encendido menos cantidad del reactor apagado, restando la contribución del fondo, y la hipótesis que usted formula es que el fondo no cambia con el pasar del tiempo”, comenta la física Carla Bonifazi, profesora de la Universidade Federal do Rio de Janeiro en Brasil y una de los científicos que lidera el experimento a nivel local.
Aunque el proceso de detección aún no ha revelado los neutrinos del reactor, los investigadores se han centrado cada vez más en los obstáculos.
Los Skipper CCD
Los CCD que los fabricantes especializados del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Fermilab diseñaron inicialmente para CONNIE eran extraordinariamente gruesos y anchos. Eso le dio a los neutrinos de baja energía mucho espacio para rebotar o dispersar átomos a través del proceso CEνNS mencionado anteriormente. Y cuando hacen retroceder a los átomos de silicio del CCD, estos tienen la posibilidad de desplazar a los electrones de otros átomos, una carga eléctrica que se puede medir.
Pero debido a la baja masa y baja energía de los neutrinos entrantes, los átomos que se alejan de ellos tienden a hacerlo con demasiada debilidad como para eliminar los electrones de otros átomos vecinos. Golpear un átomo de silicio con un neutrino del reactor puede compararse con hacer rebotar una pelota de ping pong en un camión: crea solo un pequeño retroceso.
El proceso CEνNS se predijo teóricamente hace más de 40 años, pero recién se midió por primera vez en 2017 en la fuente de neutrones por espalación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge como parte de un proyecto conocido como COHERENT.
"CONNIE está tratando de hacer algo aún más desafiante [que COHERENT], y será realmente asombroso cuando tenga éxito", afirma Kate Scholberg, profesora de la Universidad de Duke y portavoz de COHERENT. "Están buscando neutrinos de reactores nucleares que sean muy abundantes pero con menor energía en un factor de 10, por lo que dan retrocesos increíblemente pequeños".
Debido al diseño innovador de los CCD de CONNIE, los científicos predijeron que la primera prueba científica del detector en 2016 atraparía neutrinos, pero surgió un problema inesperado. Los núcleos de retroceso del CCD a veces desplazan electrones, pero a veces también hacen vibrar todo el sensor del CCD, como una pelota de ping pong golpeando un camión y transfiriendo su energía directamente al suelo que está en contacto con el camión. Este proceso reduce o apaga la energía de retroceso disponible para desplazar los electrones.
La extinción observada en los resultados de 2019 resultó ser mayor de lo previsto, en un factor de cinco a diez, y por lo tanto, la señal generada por los neutrinos no podía distinguirse del ruido eléctrico. CONNIE solo fue lo suficientemente sensible como para mostrar que se presentaban no más de 40 veces las interacciones esperadas de neutrinos. Para hacerlo mucho más sensible, los investigadores descubrieron cómo deshacerse del ruido.
Guillermo Moroni se unió al equipo de Estrada en 2011 como estudiante de doctorado en la Universidad Nacional del Sur en Argentina. En 2011, dirigió un estudio sobre cómo diseñar un CCD moderno casi sin ruido de lectura, conocido como "skipper CCD".
“Se inventó por primera vez en los años 90, pero nadie lo usó durante 20 años”, comentó Moroni. “El problema es que es muy difícil de operar. La mayor parte del tiempo que invertimos fue para entender cómo operar el sensor". En los últimos años, Moroni también ha liderado el desarrollo de su electrónica de lectura.
El skipper CCD utiliza un principio extraordinariamente elegante para reducir el ruido. La carga inducida por neutrinos que se acumula en el sensor se mueve a una especie de área de retención, donde se puede medir, mover hacia afuera, mover hacia adentro y, luego, volver a medir. La carga se puede mover hacia adentro y afuera de esta manera reiteradamente, miles de veces. Esto ralentiza el proceso de lectura, pero borra prácticamente todo el ruido, del mismo modo en que lanzar un dado más y más veces puede aumentar la confianza en que no está alterado.
Con un skipper CCD, incluso los retrocesos más pequeños que desplazan solo un electrón pueden medirse con precisión. Otro experimento llamado SENSEI ya está utilizando los skipper CCD para obtener resultados “increíbles”, afirma Moroni.
Los científicos de CONNIE planean actualizar el skipper en algún momento del próximo año. Luego, el detector debería comenzar a capturar neutrinos y medir sus interacciones con la materia, proporcionando una nueva y poderosa fuente de datos para buscar fenómenos como la materia oscura, que no son descriptos por el Modelo Estándar.
Los investigadores de CONNIE de países como Argentina, Brasil, México, Paraguay y EE. UU. también están trabajando para mejorarlo en otros sentidos. Esperan moverlo a la cúpula de contención del reactor para que pueda experimentar un flujo de neutrinos aún mayor, ya sea en Angra o en un reactor diferente de Argentina.
“Está claro que CONNIE es el experimento de física de partículas más importante de Brasil”, dice Bonifazi. "Nos coloca en la primera línea del conocimiento".
