El experimento tiene como objetivo observar las oscilaciones de neutrinos (o la conversión de un tipo de neutrino en otro) para aprender acerca de la composición subatómica del universo. Existen tres tipos diferentes, o «sabores,» de los neutrinos: muónico, tauónico, y electrónico. El experimento NOvA ha detectado con éxito la transformación de los neutrinos de tipo muon en neutrinos de tipo electrónico. Descubrir más sobre la frecuencia y la naturaleza de las oscilaciones de neutrinos es un paso importante para determinar las masas de los diferentes tipos de neutrinos, un componente desconocido crucial en cada modelo cosmológico del universo.
Aunque rara vez los neutrinos interactúan con la materia, uno de cada 10 mil millones de neutrinos que pasan por el detector interactúa con un átomo presente en él. Para observar estas colisiones, se dispara desde más de 800 kilómetros de distancia en el Fermilab de Chicago un haz de neutrinos cada 1,3 segundos en ráfagas de 10 microsegundos hacia el detector, situado en Minnesota. El detector se compone de 344.000 células, cada una como un píxel de una cámara y cada una llena con un líquido centelleador, una sustancia química que emite luz cuando partículas cargadas eléctricamente pasan a través de ella. Cuando un neutrino choca contra un átomo de este líquido, un evento que sucede, según las estimaciones, una vez por cada 10 millones de neutrinos que lo atraviesan, se produce un haz distintivo de partículas, tales como electrones, muones, o protones. Cuando estas partículas pasan a través de una célula, productos químicos fluorescentes la iluminan, permitiendo a los científicos poder realizar un seguimiento de las trayectorias de las partículas de la colisión.
«Cada tipo de neutrino deja una señal particular cuando interactúa en el detector,» dice Ryan Patterson, asistente de profesor de física y el líder del equipo de análisis de datos de NOvA. «Fermilab crea una corriente casi exclusiva de neutrinos de tipo muon. Si uno de ellos choca contra algo en nuestro detector, veremos la firma de una partícula llamada muon. Sin embargo, si un neutrino de tipo electrónico interactúa en nuestro detector, veremos las firmas de un electrón.»
Debido a que el haz de neutrinos procedentes de Fermilab está diseñado para producir casi enteramente neutrinos de tipo muon, existe una alta probabilidad de que cualquier firma de neutrinos de tipo electrónico que se reciba provenga originalmente de un neutrino de tipo muon que ha sufrido una transformación oscilante.
Los investigadores estiman que si no se hubieran producido oscilaciones, 201 neutrinos de tipo muon se habrían podido medir durante el período de toma de datos inicial, que finalizó en mayo de 2015. Sin embargo, en esta primera etapa de recopilación de datos, NOvA observó las firmas de únicamente 33 neutrinos de tipo muon, lo que sugiere que este tipo de neutrinos fueron desapareciendo debido a que algunos habían cambiado de tipo. El detector también midió seis neutrinos de tipo electrón, si bien sólo se esperaba uno de este tipo si no se hubiesen producido oscilaciones.
«Vemos una proporción muy grande de esta transición, mucho mayor de lo que debería ser, dado nuestro conocimiento actual,» comenta Patterson. «Estos datos iniciales nos están dando pistas interesantes sobre la amplia gama de masas de los neutrinos.»
El equipo de Caltech NOVA dirigió la investigación y el desarrollo de los elementos de los detectores. El objetivo era construir cada celda del detector lo suficientemente sensible como para identificar las débiles señales de las partículas sobre el ruido de fondo. El equipo diseñó estos elementos para funcionar a -15 grados Celsius para mantener el ruido (vibraciones aberrantes y otras señales en los datos) al mínimo, y también construyó estructuras para eliminar la condensación que pueda producirse a temperaturas tan bajas. A finales de la construcción en el año 2014, 12.000 conjuntos de detectores, cada uno con 32 celdas, se habían construido en Caltech.
«La resolución espacial en un detector de este tamaño no tiene precedentes», dice Patterson. «El detector en sí es muy ‘activo’, lo que significa que la mayor parte es en realidad capaz de detectar partículas. Hemos tratado de minimizar la cantidad de material ‘muerto’ [extra], como las estructuras de soporte. Además, a pesar de los diferentes tipos de neutrinos muestren diferentes firmas, estas firmas pueden tener un aspecto similar, así que necesitamos tanto poder de discriminación como podamos obtener.»
Descubrir más sobre la naturaleza de las oscilaciones de neutrinos da pistas importantes sobre el mundo subatómico y la evolución del universo.
«Sabemos que dos de los neutrinos son similares en masa, y que un tercero tiene una masa bastante diferente de los otros dos. Sin embargo, todavía no sabemos si esta otra masa es mayor o menor que las otras dos,» dice Patterson. A través del estudio preciso de las oscilaciones de neutrinos con NOvA, los investigadores esperan resolver este misterio de masas. «El orden de la masa de los neutrinos tiene conexiones en toda la física, desde el crecimiento de la estructura del universo hasta el comportamiento de partículas a inaccesiblemente altas energías,” dice. En este sentido, NOvA es único entre los experimentos en marcha debido a su sensibilidad para discernir entre estas masas.
En el futuro, los investigadores de NOvA planean determinar si los antineutrinos oscilan a la misma velocidad que los neutrinos; es decir, planean ver si los neutrinos y los antineutrinos se comportan de forma simétrica. Si NOvA descubre que no lo hacen, este descubrimiento podría, a su vez, ayudar a revelar la razón por la que hoy la cantidad de materia en el universo es mucho mayor que la cantidad de antimateria, mientras que en los albores del universo, las proporciones de los dos estaban equilibradas.
«Estos primeros resultados demuestran que NOvA está funcionando muy bien y que tenemos un programa de física muy rico por delante de nosotros,» dice Patterson.
