El experimento Double Chooz

 Medida de la tercera oscilación de los neutrinos

Los neutrinos son partículas elementales que se producen muy abundantemente en las estrellas, en explosiones de supernovas, en la atmósfera terrestre, en aceleradores de partículas y en los reactores de las centrales nucleares, entre otros. Interaccionan muy débilmente con la materia: sólo un neutrino de cada diez mil millones se para al atravesar la Tierra. Sabemos que hay tres tipos diferentes de neutrinos (del electrón, del múon y del tau) y por cada uno de ellos existe también su correspondiente antineutrino. Sin embargo, todavía no conocemos muchas de las propiedades de estas partículas como, por ejemplo, el valor de su masa, si son partículas de tipo Dirac o Majorana, si existen los neutrinos estériles (que no interaccionan mediante las interacciones fundamentales del Modelo Estándar salvo la gravedad), la jerarquía de masas, si la simetría CP se viola en el sector leptónico, etc.

El experimento Double Chooz está investigando la extraordinaria propiedad de los neutrinos de convertirse de un tipo (sabor) en otro. Este proceso cuántico se conoce como oscilaciones y constituye la primera evidencia de nueva física más allá del Modelo Estándar de Física de Partículas puesto que demuestra que los neutrinos tienen masa. La amplitud de estas oscilaciones está gobernada por tres parámetros llamados "ángulos de mezcla", ya que caracterizan la proporción de mezcla entre los diferentes tipos de neutrinos. Dos de estos ángulos (θ12, θ23) fueron medidos anteriormente. El tercer ángulo de mezcla (θ13) ha sido determinado recientemente por el experimento Double Chooz ya que es este ángulo el mayor responsable de la oscilación a cortas distancias de los antineutrinos del electrón producidos en centrales nucleares. Todavía no se comprende por qué este tercer ángulo de mezcla θ13 es mucho más pequeño que los otros dos θ12 y θ23. Su medida es fundamental para entender el mecanismo de mezcla de los leptones. Por tanto, los resultados de Double Chooz representan un paso importante hacia la comprensión de los neutrinos y los modelos teóricos asociados. Double Chooz también es un experimento clave para futuros experimentos con haces de neutrinos que pretenden medir la violación CP en el sector leptónico, ya que la sensibilidad de estos experimentos depende del valor de sin2(2θ13).

El experimento Double Chooz se lleva a cabo en el marco de una colaboración internacional en la central nuclear de Chooz en Francia. En las centrales nucleares se produce una cantidad enorme de antineutrinos como resultado de los procesos nucleares. Para poder determinar la probabilidad de conversión de los antineutrinos del electrón en otro tipo diferente, se han construido dos detectores idénticos llenos con líquidos centelleadores situados a diferentes distancias de los reactores (0.4 km y 1.05 km). La diferencia entre el número de neutrinos detectados por los detectores cercano y lejano será igual a la fracción de antineutrinos del electrón que han cambiado su sabor a antineutrinos del muón o del tau antes de alcanzar el detector lejano. La amplitud de la oscilación sin2(2θ13) se puede determinar conociendo la tasa de sucesos y el espectro energético de los neutrinos medidos en el detector lejano con respecto a los medidos en el detector cercano.

Últimos resultados: En noviembre de 2011 la colaboración Double Chooz proporcionó por primera vez una indicación de que el ángulo de mezcla θ13 era distinto de cero, lo cual fue confirmado posteriormente por otros experimentos. En verano de 2014 el experimento Double Chooz ha presentado nuevas medidas del ángulo θ13 usando una mayor muestra de datos correspondiente a 467.90 días. Se han desarrollado nuevas técnicas para reducir significativamente los sucesos de fondo y las incertidumbres sistemáticas con respecto a publicaciones anteriores, aumentando al mismo tiempo la eficiencia de la señal de antineutrinos. El resultado de esta medida es sin2(2θ13) = 0.090 + 0.032 - 0.029, obtenido mediante un ajuste al espectro de energía observado. Se ha llevado a cabo un segundo análisis usando un ajuste de la tasa de sucesos observada en función de la potencia de los reactores, el cual es independiente de la forma del espectro y de la estimación del fondo. El resultado obtenido es consistente con la medida anterior demostrando así la solidez de la medida de θ13 por el experimento Double Chooz.

El segundo detector, ya construido en la central nuclear de Chooz y en fase de llenado, entrará en operación en otoño de 2014, lo cual permitirá completar el experimento y reducir drásticamente los errores sistemáticos de la medida, proporcionando un resultado de θ13 muy competitivo. Este resultado final permanecerá como referencia de esta medida durante varias décadas y será usado en las próximas medidas de precisión de oscilaciones de neutrinos, como la medida de la violación CP en el sector leptónico.

Contribuciones del CIEMAT a Double Chooz

El grupo del física experimental de neutrinos del CIEMAT es un miembro activo de la colaboración Double Chooz desde marzo de 2006. El grupo del CIEMAT ha contribuido apliamente tanto en el hardware y construcción del detector como en el análisis de datos de física.

Las principales contribuciones y responsabilidades de nuestro grupo en los detectores de Double Chooz son:

  • Diseño, fabricación, ensamblaje e instalación de los 800 soportes mecánicos para los fotomultiplicadores (PMTs) de 10" de los detectores lejano y cercano
  • Caracterización de los PMTs bajo campo magnético
  • Diseño, fabricación y ensamblaje de los 800 blindajes magnéticos para los PMTs
  • Diseño, fabricación e instalación de los 800 módulos HV splitters y de los cables de alta tensión
  • Instalación de los PMTs dentro de los tanques de los detectores lejano y cercano
  • Estudio de la emisión de luz desde la base de los PMTs

 

En cuanto al análisis de física, nuestro grupo es responsable de la estrategia de análisis y estimación del fondo accidental, de la selección de neutrinos y producción de datos, del análisis Reactor Rate Modulation (RRM) y del desarrollo de un nuevo método para estimar las incertidumbres en la eficiencia de detección usando neutrinos. Los resultados de estos estudios son parte del análisis oficial de Double Chooz y están incluidos en las publicaciones de la colaboración.