LANL: diseño de las herramientas adecuadas para buscar partículas Axion

Interior del detector CCM200 recién construido, que muestra los 200 sensores de luz del tubo fotomultiplicador (círculos) y las paredes interiores recubiertas con un material especial para convertir la luz de centelleo de argón en luz visible que puede ser detectada por los tubos fotomultiplicadores y luego registrada por el sistema de adquisición de datos. Una región de veto exterior rechaza los eventos que vienen del exterior, como los rayos cósmicos. Imagen cortesía de LANL

COMUNICADOS DE PRENSA DE LANL Dado que los axiones fueron predichos por primera vez por la teoría hace casi medio siglo, los investigadores han buscado pruebas de la escurridiza partícula, que puede existir fuera del universo visible, en el sector oscuro. Pero, ¿cómo se encuentran partículas que no se pueden ver? Los primeros resultados físicos del experimento Coherent CAPTAIN-Mills en Los Alamos, recién descrito en una publicación en la revista Physical Review D, sugieren que la experimentación basada en aceleradores de argón líquido, diseñada inicialmente para buscar partículas hipotéticas similares, como neutrinos estériles , también puede ser una configuración ideal para buscar axiones sigilosos.

"La confirmación de las partículas del sector oscuro tendría un profundo impacto en la comprensión del modelo estándar de la física de partículas, así como el origen y la evolución del universo", dijo el físico Richard Van de Water. "Un gran enfoque de la comunidad física es explorar formas de detectar y confirmar estas partículas. El experimento Coherent CAPTAIN-Mills combina las predicciones existentes de partículas de materia oscura, como los axiones, con aceleradores de partículas de alta intensidad capaces de producir esta oscuridad difícil de encontrar". asunto."

La teoría de la física sugiere que solo el 5 % del universo está compuesto de materia visible (átomos que forman cosas que podemos ver, tocar y sentir) y que el 95 % restante es la combinación de materia y energía conocida como el sector oscuro. Los axiones, los neutrinos estériles y otros pueden explicar y dar cuenta de toda o parte de esa densidad de energía faltante.

La existencia de axiones también podría resolver un problema de larga data en el Modelo Estándar, que describe el comportamiento conocido del mundo subatómico. A veces denominados "fósiles" del universo, se especula que se originaron solo un segundo después del Big Bang, los axiones también podrían decirnos mucho sobre los momentos fundacionales del universo.

El experimento Coherent CAPTAIN-Mills fue uno de varios proyectos que recibieron fondos del Departamento de Energía para la investigación del sector oscuro en 2019, junto con fondos sustanciales del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en Los Álamos. Se construyó y puso en funcionamiento un detector prototipo denominado CCM120 durante el ciclo de haz del Centro de Ciencias de Neutrones de Los Alamos (LANSCE) de 2019. La publicación Physical Review D describe los resultados de la ejecución de ingeniería inicial del CCM120.

"Basado en la primera ejecución de la investigación de CAPTAIN-Mills, el experimento ha demostrado la capacidad de ejecutar la búsqueda de axiones", dijo Bill Louis, también físico del proyecto en Los Álamos. "Nos estamos dando cuenta de que el régimen de energía proporcionado por el haz de protones en LANSCE y el diseño del detector de argón líquido ofrece un paradigma inexplorado para la investigación de partículas similares a los axiones.

Trabajadores bajando el detector interno CCM200 al criostato en julio de 2021. Dentro del recipiente de argón líquido de 10 toneladas, los fotomultiplicadores capturan la luz que indica la presencia potencial de materia oscura y neutrinos en el detector CCM, que son producidos por LANSCE 800 megaelectron volt protones golpeando el objetivo de tungsteno en el Centro de Luján. Foto cortesía de LANL

Estacionado en el Centro de Lujan adyacente a LANSCE, el experimento Coherent CAPTAIN-Mills es un detector de argón líquido superenfriado de 10 toneladas. (CAPTAIN significa Aparato criogénico para pruebas de precisión de reacciones de argón con neutrinos).

Los protones de 800 megaelectronvoltios de alta intensidad generados por el acelerador LANSCE golpean un objetivo de tungsteno en el Centro de Luján, luego atraviesan 23 metros a través de un extenso blindaje de acero y concreto hasta el detector para interactuar en el argón líquido.

Las paredes interiores del detector prototipo están revestidas con 120 tubos fotomultiplicadores sensibles de ocho pulgadas (de ahí el apodo CCM120) que detectan destellos de luz (fotones individuales) que se producen cuando una partícula regular u oscura empuja un átomo en el tanque de argón líquido. Un revestimiento de material especial en las paredes interiores convierte la emisión de luz de argón en luz visible que puede ser detectada por los tubos fotomultiplicadores. La sincronización rápida del detector y el haz ayuda a eliminar los efectos de las partículas de fondo, como los neutrones del haz, los rayos cósmicos y los rayos gamma de las desintegraciones radiactivas.

Los axiones son de gran interés porque están "altamente motivados"; es decir, su existencia está fuertemente implícita en las teorías más allá del Modelo Estándar. Desarrollado durante más de 70 años, el modelo estándar explica tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte) que gobiernan el comportamiento de los átomos, los componentes básicos de la materia. (La cuarta fuerza, la gravedad, se explica mediante la relatividad de Einstein.) Pero el modelo no es necesariamente completo.

Un problema no resuelto en la física del modelo estándar se conoce como el "problema CP fuerte", donde "CP" significa simetría de paridad de carga. Esencialmente, las leyes de la física actúan sobre las partículas y sus contrapartes de antipartículas de manera similar. Sin embargo, nada en la física del modelo estándar exige ese comportamiento, por lo que los físicos deberían ver al menos violaciones ocasionales de esa simetría.

En las interacciones de fuerza débil, ocurren violaciones de simetría de paridad de carga. Pero no se han observado violaciones similares en interacciones de fuerza fuerte. Esa desconcertante ausencia de un comportamiento teóricamente posible representa un problema para la teoría del modelo estándar. ¿Qué impide que se produzcan violaciones de la simetría de paridad de carga en las interacciones de fuerzas intensas?

Los axiones abundantes, casi ingrávidos y eléctricamente neutros pueden ser una parte importante del rompecabezas. El axión se ganó su apodo en 1978, así acuñado por el físico Frank Wilczek en honor a una marca de detergente para ropa porque una partícula de este tipo podría "limpiar" el fuerte problema de CP. Los físicos especulan que son componentes de una fuerza de materia oscura que conserva la simetría de paridad de carga, y que pueden acoplarse o interactuar con fotones y electrones.

Si los axiones existen, encontrarlos podría ser una cuestión de idear la configuración experimental adecuada.

"Como resultado de esta ejecución inicial con nuestro detector CCM120, tenemos una comprensión mucho mejor de las firmas conectadas con partículas similares a axiones acopladas a fotones y electrones a medida que se mueven a través del argón líquido", dijo Louis. "Estos datos nos dan la idea de actualizar el detector para que sea más sensible en un orden de magnitud".

En 2020-2021, con más fondos del DOE y del laboratorio, se construyó el detector CCM200 nuevo y mejorado, que tiene 200 fotomultiplicadores que apuntan hacia adentro, láminas de superficie de tetrafenil butadieno, fotomultiplicadores de doble veto y filtración de argón líquido. Sobre la base de los resultados del prototipo CCM120, el nuevo detector ha comenzado una ejecución física de tres años que debería arrojar más resultados significativos en la materia oscura y búsquedas de axiones y pruebas de las anomalías de línea de base cortas descubiertas del detector de neutrinos de centelleo líquido anterior de Los Alamos y Experimentos MiniBooNE basados ​​en Fermilab.

Papel: "Perspectivas para detectar partículas similares a axiones en el experimento Coherent CAPTAIN-Mills". Revisión física D. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.095036

Fondos:Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias, el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional de Los Álamos, la Oficina Nacional de Laboratorios de la Universidad Texas A&M y la Universidad Nacional Autónoma de México.

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