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Avance de agua pura en la detección de neutrinos

Avance de agua pura en la detección de neutrinos

Una vista del interior del detector SNO cuando está lleno de agua. En el fondo hay 9.000 tubos fotomultiplicadores que detectan fotones y un recipiente acrílico que (ahora) contiene flash líquido. Las cuerdas que cruzan el exterior lo estabilizan cuando se agrega el tapajuntas para evitar que flote. El jarrón de acrílico tiene 12 metros de ancho, aproximadamente la mitad del ancho de una piscina olímpica. El detector está ubicado en SNOLAB, un centro de investigación ubicado a dos kilómetros bajo tierra cerca de Sudbury, Canadá. Crédito: SNO + Colaboración)

Un equipo internacional de científicos logró un gran avance en la detección de neutrinos usando agua pura en lugar del costoso flash líquido que se usaba anteriormente. El experimento Sudbury Neutrino Observation (SNO+), ubicado en una mina en Sudbury, Ontario, detectó partículas subatómicas, conocidas como antineutrinos, utilizando agua pura. Los neutrinos y antineutrinos son pequeñas partículas subatómicas que son bloques de construcción fundamentales de la materia y tienen aplicaciones prácticas como el monitoreo de reactores nucleares y la detección de actividades nucleares. Los investigadores esperan que se pueda construir una gama de reactores grandes y económicos para garantizar que los países se adhieran a los tratados de armas nucleares.

Investigación publicada en la revista Cartas de revisión física Dirigido por un equipo internacional de científicos que incluye a Joshua Klein, profesor Edmund J. y Louise W. Kahn, profesora de aula en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania, condujo a un gran avance en el descubrimiento de neutrinos.

El experimento de colaboración internacional conocido como Sudbury Neutrino Observation (SNO+), ubicado en una mina en Sudbury, Ontario, a unos 240 kilómetros (alrededor de 149,13 millas) del reactor nuclear más cercano, detectó partículas subatómicas, conocidas como antineutrinos, usando agua pura. Experimentos anteriores, señala Klein, han hecho esto utilizando brillo líquido, un medio similar al aceite que produce mucha luz cuando partículas cargadas como electrones o protones pasan a través de él.

«Teniendo en cuenta que el detector debe estar a 240 kilómetros, aproximadamente la mitad de la longitud del estado de Nueva York, lejos del reactor, se necesitan grandes cantidades de dispositivos de centelleo, que pueden ser muy costosos», dice Klein. «Entonces, nuestro trabajo muestra que se pueden construir detectores muy grandes para hacer esto usando solo agua».

¿Qué son los neutrinos y antineutrinos y por qué debería importarte?

Klein explica que los neutrinos y antineutrinos son pequeñas partículas subatómicas que son las partículas más abundantes en el universo y son componentes esenciales de la materia, pero los científicos han tenido dificultades para detectarlos debido a sus escasas interacciones con otra materia y porque no pueden estar protegido, lo que significa que pueden atravesar cualquier cosa y todo. Pero esto no quiere decir que sean nocivos o radiactivos: aprox. 100 billones de neutrinos Pasan por nuestro cuerpo cada segundo sin previo aviso.

Sin embargo, estas propiedades también hacen que estas elusivas partículas sean útiles para comprender una variedad de fenómenos físicos, como la formación del universo y el estudio de objetos astronómicos distantes, y tienen «aplicaciones prácticas en las que pueden usarse para monitorear reactores nucleares y potencialmente detectar actividades nucleares encubiertas», dice Klein.

De dónde viene esto

Mientras que los neutrinos generalmente se producen por reacciones de alta energía, como las reacciones nucleares en las estrellas, como la fusión de hidrógeno en helio en el sol, donde los protones y otras partículas chocan y liberan neutrinos como subproducto, dice Klein, los antineutrinos generalmente se producen artificialmente. “Por ejemplo, los reactores nucleares, que dividen los núcleos atómicos, producen antineutrinos como resultado de la desintegración beta radiactiva de la reacción”, dice. «Como tal, los reactores nucleares producen grandes cantidades de antineutrinos y los convierten en una fuente ideal para estudiarlos».

Por qué este último descubrimiento es un gran avance

«Entonces, monitorear los reactores midiendo sus antineutrinos nos dice si están funcionando o no, y tal vez incluso qué combustible nuclear están quemando», dice Klein.

Klein explica que, por lo tanto, es posible monitorear un reactor en un país extranjero para ver si ese país se está transformando de un reactor generador de energía a uno que fabrica material apto para armas. Hacer la evaluación solo con agua significa que se puede construir una variedad de reactores grandes pero económicos para garantizar que un país cumpla con sus obligaciones en el Tratado de Armas Nucleares, por ejemplo; Es una manija en la no proliferación nuclear.

¿Por qué no se ha hecho esto antes?

«Los antineutrinos en el reactor tienen muy poca energía, por lo que el detector tiene que estar muy limpio incluso de pequeñas cantidades de radiactividad», dice Klein. «Además, el detector debe poder ‘funcionar’ en un umbral lo suficientemente bajo como para detectar eventos».

Para un reactor de hasta 240 kilómetros, dice, es especialmente importante que el reactor contenga al menos 1.000 toneladas de agua. SNO+ cumplió con todos estos criterios.

liderar la carga

Klein le da crédito a sus ex pasantes Taner Kaptenglu y Logan Lipanowski por liderar el esfuerzo. Si bien la idea de esta analogía formaba parte de la tesis doctoral de Kaptangelo, Lipanovsky, un ex investigador postdoctoral, supervisó el proceso.

«Con nuestro conjunto de instrumentación aquí, diseñamos y construimos toda la electrónica de adquisición de datos y desarrollamos el sistema de ‘activación’ del detector, que es lo que permitió que SNO+ tuviera un umbral de potencia lo suficientemente bajo como para detectar antineutrinos en el reactor».

Referencia: “Evidencia de antineutrinos de reactores remotos usando agua pura en SNO+” por A. Allega et al. (The SNO + Collaboration), 1 de marzo de 2023, disponible aquí. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.091801

Joshua Klein es profesor de Edmund J. y Louise W. Kahn y presidente de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania.

Los fondos de construcción de capital para el ensayo SNO+ fueron proporcionados por la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI) y socios equivalentes. Las operaciones de SNOLAB cuentan con el respaldo de CFI y el Ministerio de Investigación e Innovación de la provincia de Ontario, con acceso subterráneo de Vale en el sitio de la mina Creighton.

La investigación fue financiada por el Departamento de Energía, la Oficina de Física Nuclear, la Fundación Nacional de Ciencias y la Administración de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía a través del Consorcio de Ciencia y Seguridad Nuclear.

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