MiniBooNE, un experimento poco conocido para la mayoría de los físicos

Por Francisco R. Villatoro, el 6 noviembre, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

Si en una reunión de físicos pides que alguien te explique el experimento MiniBooNE del Fermilab puede que te lleves una sorpresa. La mayoría no sabrá nada de dicho experimento, incluso siendo conscientes que este año, MiniBooNE está de moda. Trataré de explicar en qué consiste este experimento. Para ello utilizaré como fuentes las charlas de Z. Djurcic, «Updated MiniBooNE Results,» NuFact2010, 12tth International Workshop on Neutrino Factories, Superbeams and Beta Beams, October 23, 2010; B. Louis, «Antineutrino Oscillation Results from MiniBooNE & Possible CP Violation in the Lepton Sector,» Seminar, LANL and University New Mexico, October 19, 2010; y C. Polly, «Updated Oscillation Results from MiniBooNE,» NOW 2010, 7 sep. 2010.

MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) es un experimento situado en el Fermilab, cerca de Chicago, EE.UU., formado por una esfera de 12 metros de diámetro rellena de 800 toneladas de cloruro de metileno (CH2 o diclorometano), un aceite mineral.  En la superficie interior de la esfera hay 1520 fotomultiplicadores, detectores de fotones (o fototubos). Sobre esta esfera incide un haz de neutrinos (o antineutrinos) muónicos producido  a 500 metros de distancia por protones que en un sincrotrón llamado FNAL Booster alcanzan una energía de 8 GeV y se hacen colisionar contra un blanco de berilio. El flujo de neutrinos que se producen en esta colisión, tanto electrónicos como muónicos, es bien conocido. Durante los 500 m. de trayecto alrededor del 0’25% de los neutrinos muónicos oscilan (o se transforman) en neutrinos electrónicos, por lo que en el detector se reciben neutrinos electrónicos producidos por la colisión p-Be más cierto número de neutrinos electrónicos producidos por la oscilación de neutrinos muónicos durante el trayecto de 0’5 km. Cada 20 segundos de funcionamiento MiniBooNE observa un neutrino, es decir, alrededor de un millón a lo largo de un año. Los responsables de MiniBooNE están interesados solo en la observación de los neutrinos (o antineutrinos) electrónicos siendo los muónicos parte del ruido de fondo.

La colisión de un neutrino muónico y un neutrón de alguna molécula del CH2 en el tanque esférico produce un muón (figura izquierda, arriba), y su colisión con un neutrón o un protón produce un pión (figura izquierda, abajo). Estas colisiones no interesan (son el background o ruido de fondo). La señal que interesa detectar es la colisión de un neutrino electrónico con un neutrón, produciendo un electrón (figura izquierda, centro). Tanto el electrón, el muón y el pión se propagan a velocidades ultrarrelativistas por el tanque de CH2, emitiendo radiación Cherenkov (un chorro de fotones que es observado en los fotodetectores). Como se muestra en la figura de la izquierda, la señal en los fotodetectores para estas tres posibles colisiones es muy diferente, lo que garantiza que pueden ser diferenciadas con un error pequeño.

MiniBooNE para un haz de neutrinos muónicos con una energía por encima de 475 MeV no observó ningún exceso en el número de neutrinos electrónicos esperados, pero para un haz de antineutrinos muónicos se ha observado un pequeño exceso (18 ± 14). La hipótesis de que sea una mera fluctuación estadística tiene una probabilidad de solo el 0’5%. Un exceso de 2σ, aunque sea consistente con un experimento previo (LSND) al 99’4%, requiere un análisis de más datos. En los próximos dos años sabremos si se confirma o se refuta este exceso. Hasta entonces, se limita a ser una buena excusa para que el experimento MiniBooNE aparezca en los medios (y en este blog). No debemos olvidar que la física de partículas elementales tiene mucho más frentes que el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN.



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