Experimento DUNE

La próxima generación de experimentos de oscilaciones de neutrinos intentará determinar la jerarquía de masas de los neutrinos y medir la fase de violación de CP en el sector leptónico. La demostración de la violación de CP leptónica será un paso importante hacia la explicación de la asimetría de bariones observada en el universo mediante el mecanismo de leptogénesis. Si bien la presente generación de experimentos de neutrinos, como T2K y NOvA, comenzará a proporcionar los primeros indicios de la existencia de violación de CP y cierta sensibilidad a la jerarquía de masas, no podrá proporcionar una medida lo suficientemente significativa.

El experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) es un futuro experimento de neutrinos que se prevéesté en operación en 2026. Este experimento estudiará los neutrinos de alta energía de un nuevo haz de neutrinos de alta intensidad (LBNF) generado por un acelerador de protones de megavatios en Fermilab, después de propagarse a lo largo de una distancia de 1300 km hasta un detector ubicado en el laboratorio subterráneo de Sanford Underground Research Facility (SURF) en Lead, Dakota del Sur. El requisito de reconstruir limpiamente interacciones de neutrinos de multi-GeV determina la elección de la tecnología de cámara de proyección temporal de argón líquido (LAr TPC) como la óptima para DUNE. El detector lejano estará compuesto por cuatro grandes detectores LAr TPC de masa fiducial de 10 kt cada uno. DUNE considera tanto el diseño de LAr TPC de fase única como de doble fase para los detectores lejanos. El proyecto se completa con un detector cercano de alta capacidad colocado muy cerca del haz de neutrinos.

Las estimaciones indican que DUNE proporcionará >5σ de sensibilidad a la jerarquía de masas de los neutrinos para cualquier valor de δ en siete años de datos y una nivel de significación para la violación de CP de al menos 3σ para el 75% de valores de δ-CP con una exposición de 850 kt MW año, a través de las medidas de oscilación de neutrinos. La combinación de un detector tan masivo en subterráneo también permite a DUNE tener un amplio potencial de descubrimiento más allá del programa de aceleración de neutrinos. La observación de la descomposición de nucleones sería un evento decisivo para la comprensión de la física a escalas de alta energía. Los neutrinos de las supernovas proporcionarán información clave sobre la física del colapso gravitacional y también pueden revelar las propiedades fundamentales del neutrino.

Contribuciones del CIEMAT a DUNE

La estrategia para la construcción del detector lejano se basa en la formación de grupos internacionales (consorcios) de instituciones responsables de aspectos específicos de los subsistemas. El grupo del CIEMAT participa actualmente en DUNE como miembro de dos consorcios: el Dual-Phase Photon Detection (DPPD) System, siendo líder de este consorcio I. Gil, y el de Slow Control and Cryogenic Instrumentation. Los miembros del grupo CIEMAT desempeñan también un papel importante en el consorcio DPPD como responsables de los grupos de trabajo de fotoensores (A. Verdugo) y calibración de luz (C. Cuesta).

La finalización de los prototipos de DUNE se espera para fines de 2018. DUNE va a producir un Technical Design Report de los detectores lejanos en 2019. Como paso previo, se preparará una Technical Proposal en 2018. C. Cuesta y C. Palomares son editoras de los capítulos de Dual-Phase Photon Detection System y Slow Control and Cryogenic Instrumentation, respectivamente.

Trabajo de simulación está en progreso para optimizar el diseño final del sistema de deteción de luz de doble fase de acuerdo con los requisitos establecidos por la física. La tecnología de doble fase, diferentes geometrías y un modelo realista de las distribuciones temporales del sistema detección de luz se están introduciendo en las simulaciones ópticas.

Además, el CIEMAT (I. Gil) es miembro de la Technical Board del experimento DUNE y co-coordinador del grupo de trabajo DUNE Supernova and Low Energy Neutrino Physics desde 2015.