Esta es la lista más completa de experimentos para detectar neutrinos:
todo lo que tienes que saber
Descubre la lista más completa de experimentos de neutrinos, desde ANTARES hasta IceCube.
Conoce cómo estos detectores han revolucionado la física de partículas y qué nos depara el futuro en su estudio.
Esta es la lista más completa de experimentos para detectar neutrinos: todo lo que tienes que saber
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital.
Creado: 12.02.2025
Los neutrinos son partículas fascinantes y esquivas. Cada segundo, billones de ellos atraviesan nuestro cuerpo sin que lo notemos. A diferencia de los electrones o protones, los neutrinos interactúan tan débilmente con la materia que detectarlos es un desafío titánico. Sin embargo, su estudio es crucial para comprender la estructura del universo y los procesos fundamentales que lo rigen.En este artículo se recopila décadas de investigación en este campo. Desde detectores en el fondo del mar hasta instalaciones subterráneas gigantescas, cada experimento ha sido diseñado para capturar rastros de estas partículas elusivas. A continuación, exploraremos algunos de los experimentos más importantes que han revolucionado nuestro entendimiento de los neutrinos.
La lista al completo
Los neutrinos son partículas subatómicas increíblemente pequeñas y enigmáticas que se producen en abundancia en el universo. Se generan en procesos como reacciones nucleares en las estrellas, explosiones de supernovas o incluso en la desintegración radiactiva aquí en la Tierra. Lo más curioso de los neutrinos es su capacidad para atravesar casi cualquier materia sin interactuar, lo que los convierte en mensajeros cósmicos ideales. Sin embargo, esta misma característica hace que sean extremadamente difíciles de detectar y estudiar, desafiando la tecnología y la creatividad científica.
Entender los neutrinos no solo nos permite comprender cómo funcionan las estrellas y los procesos más extremos del cosmos, sino que también arroja luz sobre preguntas fundamentales en física, como el origen de la masa de estas partículas o por qué existe más materia que antimateria en el universo. Detectarlos requiere experimentos cuidadosamente diseñados, distribuidos por todo el mundo, que emplean desde agua ultrapura hasta hielo antártico. En los siguientes apartados, exploraremos algunos de los proyectos más destacados que han permitido desentrañar los secretos de estas partículas esquivas.
ANNIE: Explorando interacciones de neutrinos y neutrones
El Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) es un experimento ubicado en el Fermilab de EE. UU. Su objetivo principal es estudiar cómo los neutrinos interactúan con neutrones en un medio acuoso. Este detector utiliza una combinación de agua y fotomultiplicadores para registrar eventos de interacción neutrino-neutrón.
Lo innovador de ANNIE es su capacidad para identificar y contar los neutrones producidos en estas interacciones. Esto proporciona información clave sobre los procesos que ocurren en los colisionadores de partículas y en explosiones estelares. Sus resultados ayudan a refinar modelos de oscilación de neutrinos y mejorar la detección en otros experimentos.
ANTARES: Un telescopio de neutrinos en el fondo del mar
El Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research (ANTARES) es un detector de neutrinos sumergido en el mar Mediterráneo, cerca de Francia. Su propósito es detectar neutrinos de alta energía provenientes del espacio. Al encontrarse a gran profundidad, el agua actúa como un escudo natural contra la radiación cósmica, reduciendo el ruido de fondo.
ANTARES detecta neutrinos a través de la luz Cherenkov, un destello que se produce cuando una partícula cargada viaja más rápido que la luz en el agua. Los datos obtenidos han permitido estudiar fenómenos astrofísicos como núcleos galácticos activos y colisiones de agujeros negros. Aunque ANTARES ya ha sido reemplazado por experimentos más avanzados, sentó las bases para futuras investigaciones en astronomía de neutrinos.
ARIANNA: Detectando neutrinos en la Antártida
El experimento Antarctic Ross Ice-Shelf ANtenna Neutrino Array (ARIANNA) tiene como objetivo capturar señales de neutrinos de ultra alta energía mediante un innovador sistema de antenas instaladas sobre el hielo antártico. Estas antenas están diseñadas para detectar impulsos de radio generados cuando los neutrinos interactúan con las moléculas de hielo, un fenómeno conocido como el efecto Askaryan.
Una de las principales ventajas de ARIANNA es su ubicación en la Antártida, que proporciona una capa de hielo extremadamente pura y transparente a las ondas de radio. Esto permite detectar neutrinos de fuentes cósmicas distantes, como colisiones de agujeros negros o estallidos de rayos gamma. Además, ARIANNA es modular, lo que significa que las estaciones de antenas se pueden ampliar fácilmente para cubrir un área mayor y mejorar su sensibilidad.
Este experimento no solo busca entender el origen de los neutrinos de ultra alta energía, sino también contribuir al campo de la astrofísica multimensajero, que combina la detección de diferentes tipos de señales (neutrinos, ondas gravitacionales y luz) para estudiar eventos extremos en el universo. ARIANNA representa un paso adelante en la exploración de los misterios cósmicos desde uno de los entornos más desafiantes del planeta.
Ilustración artística de ANTARES. Fuente: WikipediaBDUNT: Explorando neutrinos desde el fondo del lago Baikal
El Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope (BDUNT), ubicado en el lago Baikal en Siberia, es uno de los primeros telescopios submarinos dedicados a la detección de neutrinos. Su construcción comenzó en los años 80, y ha sido un pilar en la investigación de partículas subatómicas, sentando las bases para experimentos modernos. Actualmente, su versión más avanzada, conocida como Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector), está en pleno funcionamiento.
Este telescopio utiliza módulos ópticos suspendidos en las profundidades del lago para captar la luz Cherenkov, un fenómeno que ocurre cuando los neutrinos de alta energía interactúan con las moléculas de agua. Su localización en el lago Baikal, uno de los lagos más profundos y claros del mundo, ofrece condiciones óptimas para reducir el ruido de fondo y garantizar la precisión de las detecciones.
BDUNT se centra principalmente en el estudio de neutrinos de origen astrofísico, como los que se generan en núcleos galácticos activos, estallidos de rayos gamma y supernovas. Además, su diseño modular permite ampliar gradualmente su capacidad, lo que lo hace competitivo frente a otros telescopios submarinos como ANTARES o KM3NeT. Con sus contribuciones, BDUNT ha demostrado ser clave en la búsqueda de fuentes de neutrinos cósmicos y en el avance de la astrofísica de partículas.
Borexino: Estudiando neutrinos solares con precisión extrema
El experimento Borexino, ubicado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso en Italia, se diseñó para detectar neutrinos provenientes del Sol con una precisión sin precedentes. Su técnica de detección se basa en un líquido centelleador ultrapuro que reacciona cuando los neutrinos interactúan con los electrones en su interior.
Uno de sus logros más destacados fue la medición de neutrinos de la reacción de fusión principal del Sol, confirmando de manera directa el modelo estándar de física solar. Además, Borexino logró reducir el ruido de fondo a niveles extremadamente bajos, lo que permitió la detección de señales de neutrinos de menor energía.
BUST: Explorando neutrinos desde el Cáucaso
El Baksan Underground Scintillation Telescope (BUST) es uno de los detectores más antiguos y relevantes en la historia de la investigación de neutrinos. Está situado en el Observatorio de Neutrinos de Baksan, en las montañas del Cáucaso, Rusia, a una profundidad de 300 metros bajo tierra para minimizar la interferencia de la radiación cósmica.
BUST es un telescopio de centelleo que utiliza un gran número de detectores organizados en capas para identificar eventos de neutrinos. Está diseñado principalmente para estudiar neutrinos atmosféricos y ha sido utilizado en investigaciones relacionadas con los neutrinos solares, así como para buscar señales de neutrinos provenientes de supernovas.
Uno de los aspectos destacados de BUST es su contribución histórica a la detección de neutrinos durante eventos como la supernova SN 1987A. Sus registros ayudaron a confirmar modelos astrofísicos sobre la formación de supernovas y los procesos que ocurren en su núcleo. Aunque es un experimento veterano, BUST sigue siendo una referencia en el estudio de partículas subatómicas.
Borexino. Fuente: https://borex.lngs.infn.itCCM: Explorando el esparcimiento coherente de neutrinos
El experimento Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) se lleva a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Estados Unidos. Su objetivo principal es investigar un fenómeno conocido como esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos (CEvNS, por sus siglas en inglés), que fue observado experimentalmente por primera vez en 2017. Este proceso permite estudiar cómo los neutrinos interactúan colectivamente con los protones y neutrones de un núcleo atómico.
CCM emplea detectores avanzados basados en argón líquido, una tecnología que permite medir con precisión las señales extremadamente débiles producidas durante estas interacciones. Por otra parte, busca información sobre posibles partículas exóticas o interacciones que podrían extender el modelo estándar de la física de partículas.
Este experimento es fundamental para comprender mejor el comportamiento de los neutrinos en diferentes entornos, desde reactores nucleares hasta supernovas. Al estudiar el CEvNS, CCM también proporciona información valiosa para aplicaciones prácticas, como la seguridad nuclear y la detección remota de reactores.
CHANDLER: Un detector portátil para antineutrinos
El experimento CHANDLER (Carbon Hydrogen AntiNeutrino Detector with a Lithium Enhanced Raghavan-optical-lattice) representa un enfoque innovador en la detección de antineutrinos. Este detector compacto está diseñado para monitorear flujos de antineutrinos provenientes de reactores nucleares, ofreciendo aplicaciones tanto científicas como prácticas en seguridad nuclear.
CHANDLER utiliza un sistema único basado en un retículo óptico de Raghavan (ROL) combinado con detectores de centelleo líquidos. Este diseño permite identificar señales de antineutrinos con alta resolución espacial y temporal, proporcionando datos precisos sobre las interacciones entre antineutrinos y protones. El uso de litio además mejora la sensibilidad del detector al permitir una mejor identificación de las partículas emitidas durante estas interacciones.
El potencial de CHANDLER no se limita a la investigación básica. Su portabilidad y precisión lo hacen ideal para aplicaciones prácticas, como la monitorización remota de reactores nucleares y el cumplimiento de tratados internacionales de no proliferación. Este detector también puede usarse en futuros experimentos para estudiar las propiedades fundamentales de los antineutrinos, ayudando a responder preguntas abiertas sobre estas partículas elusivas.
CLEAN: Explorando el universo con bajas energías
El experimento CLEAN (Cryogenic Low-Energy Astrophysics with Neon) está diseñado para detectar neutrinos de muy baja energía provenientes de fuentes astrofísicas, como el Sol o supernovas cercanas. Este detector criogénico utiliza un enfoque innovador que combina gas neon líquido y sólido como medio de detección, ofreciendo un entorno extremadamente puro y estable para estudiar interacciones neutrino-núcleo.
Uno de los principales objetivos de CLEAN es la detección de neutrinos solares, específicamente aquellos producidos en las reacciones de fusión del ciclo pp (protones-protones) en el núcleo del Sol. La alta pureza del neon reduce significativamente el ruido de fondo, permitiendo detectar señales muy sutiles que podrían pasar desapercibidas en otros detectores.
Además de los neutrinos solares, CLEAN también tiene el potencial de buscar partículas masivas de interacción débil (WIMPs), candidatos a materia oscura. Este doble propósito convierte a CLEAN en un experimento versátil que no solo explora las partículas más esquivas del universo, sino que también busca responder preguntas fundamentales sobre la composición del cosmos.
Aunque todavía se encuentra en desarrollo, CLEAN promete ser una herramienta clave en la investigación de baja energía, ampliando nuestro conocimiento sobre los neutrinos y su relación con la física astrofísica y de partículas.
COBRA: Investigando la desintegración beta doble sin neutrinos
El experimento COBRA (Cadmium Zinc Telluride 0-Neutrino Double-Beta Research Apparatus) tiene como objetivo estudiar uno de los procesos más misteriosos de la física de partículas: la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ). Este fenómeno, si se confirma, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas, un concepto conocido como partículas de Majorana, y ayudaría a explicar el desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.
COBRA utiliza detectores de semiconductores hechos de telururo de cadmio y zinc (CdZnTe), materiales ideales para registrar la emisión de electrones durante la desintegración beta doble. Este diseño permite una alta resolución energética, crucial para distinguir las señales de desintegración de otros tipos de radiación de fondo.
El experimento no solo busca confirmar la existencia de la desintegración beta doble sin neutrinos, sino también medir parámetros clave como la jerarquía de masas de los neutrinos y su naturaleza fundamental. Si bien actualmente está en una fase piloto con módulos pequeños, COBRA tiene planes de escalar su tecnología para realizar mediciones más precisas y abarcar un rango más amplio de isótopos candidatos.
COBRA representa un enfoque innovador y prometedor en la búsqueda de respuestas a algunas de las preguntas más profundas sobre los neutrinos y su papel en el universo.
COHERENT: Estudiando el esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos
El experimento COHERENT se lleva a cabo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, en Estados Unidos, y está dedicado a estudiar un fenómeno conocido como esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos (CEvNS, por sus siglas en inglés). Este proceso ocurre cuando un neutrino interactúa con un núcleo atómico completo, en lugar de con partículas individuales como protones o neutrones. Aunque teóricamente predicho en la década de 1970, no fue observado experimentalmente hasta 2017, gracias a COHERENT.
El detector utiliza cristales de germanio, argón líquido y otros materiales sensibles, diseñados para medir las pequeñas señales de retroceso nuclear que se producen durante las interacciones CEvNS. Debido a lo débil de estas señales, COHERENT está ubicado cerca de una fuente intensa de neutrinos, el Spallation Neutron Source (SNS), que produce un flujo controlado y detectable de partículas.
El trabajo de COHERENT tiene implicaciones importantes en varios campos. No solo confirma predicciones del modelo estándar de la física de partículas, sino que también abre la puerta a la búsqueda de física más allá del modelo estándar, como interacciones con nuevas partículas o fuerzas. Además, las mediciones precisas de CEvNS son cruciales para mejorar tecnologías aplicadas, como la seguridad nuclear y los detectores de neutrinos compactos para monitoreo remoto.
COHERENT sigue ampliando nuestra comprensión de cómo los neutrinos interactúan con la materia, marcando un paso significativo en la investigación de estas partículas elusivas.
CONUS: Detectando neutrinos de reactores con precisión extrema
El experimento CONUS (COherent Neutrino nUcleus Scattering) tiene como objetivo estudiar el esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos (CEvNS) mediante la detección de antineutrinos emitidos por reactores nucleares. Se lleva a cabo en la planta de energía nuclear de Brokdorf, Alemania, y busca medir con gran precisión cómo los neutrinos interactúan con la materia.
CONUS emplea detectores de germanio ultrapuros, altamente sensibles a los pequeños retrocesos nucleares provocados por el CEvNS. La proximidad de estos detectores a un reactor nuclear permite observar un gran número de eventos, facilitando el estudio de este fenómeno con mayor detalle que en experimentos anteriores.
Este experimento tiene importantes implicaciones tanto en la física fundamental como en aplicaciones tecnológicas. Por un lado, ayuda a comprobar predicciones del modelo estándar y a explorar posibles desviaciones que podrían indicar nueva física. Por otro, su tecnología puede contribuir a la seguridad nuclear y al monitoreo de reactores mediante la detección remota de antineutrinos, una herramienta clave en la no proliferación nuclear.
CONUS representa un avance en la detección de neutrinos de baja energía y sigue proporcionando datos cruciales para comprender mejor estas partículas fundamentales.
Dispersión coherente de un neutrino en un núcleo atómico. Fuente: CONUS - https://www.mpi-hd.mpg.deDaya Bay: Midiendo las oscilaciones de neutrinos con reactores
El experimento Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, ubicado en China, ha sido fundamental en el estudio de las oscilaciones de neutrinos, el proceso por el cual estas partículas cambian de tipo a medida que se desplazan. Su enfoque se centró en la detección de antineutrinos electrónicos emitidos por reactores nucleares, permitiendo estudiar con precisión cómo varía su flujo a diferentes distancias.
Para ello, Daya Bay contó con un sistema de detectores distribuidos en tres emplazamientos distintos alrededor de ocho reactores nucleares en la provincia de Guangdong. Al analizar la cantidad de antineutrinos detectados en cada ubicación, los científicos pudieron medir cómo estos desaparecen debido a las oscilaciones, proporcionando datos clave para la comprensión del comportamiento de los neutrinos.
Los resultados de Daya Bay han sido cruciales para mejorar los modelos teóricos de oscilaciones y han sentado las bases para futuros experimentos como JUNO y DUNE, que buscan estudiar con mayor detalle las propiedades fundamentales de los neutrinos. Aunque el experimento finalizó en 2020, su impacto sigue vigente en la física de partículas, proporcionando información valiosa para el desarrollo de nuevas investigaciones en el campo.
Double Chooz: Refinando el estudio de los antineutrinos de reactor
El experimento Double Chooz, ubicado en Francia, fue un detector de antineutrinos electrónicos diseñado para estudiar las oscilaciones de neutrinos y mejorar la comprensión de cómo estas partículas cambian de tipo a medida que viajan. Su objetivo principal fue medir con alta precisión la desaparición de antineutrinos electrónicos generados en los reactores nucleares de Chooz, lo que proporcionó datos clave para el estudio de la física de neutrinos.
El experimento utilizó dos detectores: uno cercano a los reactores y otro más alejado, lo que permitió comparar la cantidad de antineutrinos detectados en cada punto. Esto ayudó a reducir incertidumbres en la medición de la desaparición de neutrinos, proporcionando resultados más precisos que su predecesor, Chooz, un experimento de los años 90 que sentó las bases para Double Chooz.
Double Chooz complementó otros experimentos similares, como Daya Bay y RENO, y contribuyó al avance en la investigación de neutrinos de reactor. Sus resultados ayudaron a mejorar los modelos de oscilaciones de neutrinos, reforzando la base teórica para futuros proyectos como JUNO y DUNE. Aunque el experimento finalizó en 2018, su legado sigue influyendo en la física de partículas moderna.
DUNE: El futuro de la investigación de neutrinos
El Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) es uno de los proyectos más ambiciosos en desarrollo. Se construye en EE. UU. con el objetivo de estudiar las oscilaciones de neutrinos y la posible violación de simetría entre materia y antimateria.
DUNE contará con detectores ubicados a 1300 km de distancia entre sí, uno en Fermilab (Illinois) y otro en Dakota del Sur. Un haz de neutrinos generado en Fermilab viajará a través de la Tierra hasta el detector distante. El experimento podrá detectar neutrinos de supernovas, estudiar la estabilidad del protón y explorar la física más allá del modelo estándar.
Daya Bay. Fuente: WikipediaENUBET: Haces de neutrinos más precisos para experimentos futuros
El experimento ENUBET (Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging) busca desarrollar una nueva generación de haces de neutrinos con una precisión sin precedentes. Su objetivo principal es mejorar la producción y caracterización de haces de neutrinos de acelerador, utilizados en experimentos que estudian sus oscilaciones y otras propiedades fundamentales.
Una de las innovaciones clave de ENUBET es el uso de detección en línea de leptones para identificar las partículas secundarias que generan neutrinos dentro del haz. En lugar de depender solo de modelos teóricos y simulaciones, ENUBET permite medir en tiempo real la cantidad de electrones y muones producidos en el decaimiento de kaones, lo que se traduce en una mejor calibración de los haces de neutrinos.
Este nivel de control sobre la producción de neutrinos es crucial para reducir incertidumbres en mediciones de oscilaciones y para estudios que buscan desviaciones del modelo estándar de la física de partículas. ENUBET es un paso importante hacia la próxima generación de experimentos de neutrinos de precisión, optimizando los haces que serán utilizados en proyectos futuros, como DUNE y Hyper-Kamiokande, y proporcionando datos más confiables para entender mejor la naturaleza de estas partículas.
ESSnuSB: Explorando la violación de simetría en neutrinos
El experimento ESSnuSB (European Spallation Source Neutrino Super Beam) es un proyecto europeo que busca producir un haz de neutrinos de alta intensidad para estudiar con precisión sus oscilaciones. Su principal objetivo es investigar la posible violación de simetría CP en el sector leptónico, un fenómeno que podría explicar por qué en el universo hay más materia que antimateria.
ESSnuSB aprovechará la infraestructura del European Spallation Source (ESS), ubicado en Suecia, para generar neutrinos a partir de un potente haz de protones. Estos protones impactarán un blanco, produciendo mesones que luego decaerán en neutrinos muónicos. Los neutrinos viajarán hasta un detector de gran tamaño, situado a más de 500 kilómetros de distancia, donde se analizarán sus oscilaciones y transformaciones en neutrinos electrónicos.
Una de las características distintivas de ESSnuSB es su enfoque en la segunda oscilación máxima, un punto en la distancia recorrida por los neutrinos donde los efectos de la oscilación son más sensibles a la violación CP. Esto permitirá medir con mayor precisión parámetros fundamentales de la física de neutrinos y complementar los estudios de otros experimentos como DUNE y Hyper-Kamiokande.
ESSnuSB representa un paso clave en la búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar, ayudando a resolver una de las grandes incógnitas de la cosmología: el origen del desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.
FASER: Buscando neutrinos en colisionadores de partículas
El experimento FASER (ForwArd Search ExpeRiment) es un detector compacto instalado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Su propósito es detectar neutrinos de alta energía generados en colisiones de protones a energías extremas, proporcionando un nuevo enfoque para el estudio de estas partículas en experimentos de aceleradores.
Ubicado a 480 metros de distancia de uno de los puntos de colisión del LHC, FASER se encuentra en la trayectoria en la que se espera que viajen los neutrinos producidos en los choques entre protones. Hasta ahora, la mayoría de los neutrinos detectados provienen de fuentes astrofísicas o reactores nucleares, pero con FASER se ha logrado por primera vez la detección directa de neutrinos en un colisionador de partículas.
El experimento también busca partículas hipotéticas, como aquellas asociadas con la materia oscura o nuevas fuerzas fundamentales. Su diseño compacto y su capacidad para operar en el entorno extremo del LHC lo convierten en un experimento innovador dentro de la física de partículas.
Los primeros resultados de FASER han confirmado la detección de neutrinos, abriendo la puerta a una nueva línea de investigación que permitirá estudiar estas partículas con mayor detalle y explorar posibles desviaciones del modelo estándar. A medida que continúe recolectando datos, FASER podría aportar información clave sobre la producción de neutrinos en colisiones de alta energía y ayudar a comprender mejor su comportamiento.
Ilustración educativa de FASER: Fuente: sitio oficialEXO-200: Buscando la desintegración beta doble sin neutrinos
El experimento EXO-200 (Enriched Xenon Observatory 200) fue diseñado para detectar un fenómeno extremadamente raro y fundamental en la física de partículas: la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ). Si se confirmara la existencia de este proceso, significaría que los neutrinos son sus propias antipartículas, lo que tendría profundas implicaciones para nuestra comprensión del universo y el origen de la materia.
EXO-200 utilizó xenón-136 enriquecido en estado líquido como medio de detección dentro de una cámara de proyección temporal (TPC). Este diseño permitió medir con precisión la energía liberada en los eventos de desintegración beta doble y buscar la ausencia de neutrinos en el proceso. Sus resultados ayudaron a establecer límites más estrictos sobre la vida media de esta desintegración y la posible masa del neutrino.
El experimento operó desde 2011 hasta 2018 y, aunque no detectó evidencia directa de la desintegración beta doble sin neutrinos, proporcionó datos valiosos para futuras investigaciones. Su sucesor, nEXO, contará con un volumen de detección mucho mayor y mayor sensibilidad, lo que permitirá explorar este fenómeno con más detalle.
EXO-200 fue un paso clave en la búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar, y sus resultados siguen guiando el desarrollo de la próxima generación de experimentos de detección de neutrinos.
GALLEX: Pionero en la detección de neutrinos solares
El experimento GALLEX (Gallium Experiment) fue uno de los primeros en detectar neutrinos solares de baja energía, contribuyendo significativamente a la comprensión de los procesos de fusión nuclear en el Sol. Se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia, y operó entre 1991 y 1997.
GALLEX utilizó gallio-71 como material detector, el cual, al interactuar con neutrinos electrónicos, se transformaba en germanio-71. Midiendo la cantidad de átomos de germanio producidos, los científicos pudieron estimar con precisión el flujo de neutrinos provenientes del Sol. Sus mediciones confirmaron que la cantidad de neutrinos detectados era menor a la predicha por los modelos teóricos, contribuyendo al famoso problema de los neutrinos solares.
Este déficit de neutrinos llevó a la formulación y posterior confirmación de la oscilación de neutrinos, demostrando que los neutrinos cambian de tipo mientras viajan. GALLEX allanó el camino para experimentos posteriores, como SAGE y Borexino, que refinaron aún más la medición de neutrinos solares y profundizaron en la física de oscilaciones.
Aunque ya no está en funcionamiento, GALLEX sigue siendo un referente en la detección de neutrinos de baja energía y un pilar en la historia de la física de partículas. Sus resultados ayudaron a resolver uno de los mayores enigmas de la astrofísica y contribuyeron al desarrollo de experimentos más avanzados en el campo de la detección de neutrinos.
EXO-200. Fuente: WikipediaGERDA: Buscando la desintegración beta doble sin neutrinos
El experimento GERDA (GERmanium Detector Array) fue diseñado para estudiar la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ), un proceso clave que podría demostrar que los neutrinos son sus propias antipartículas. Esta observación tendría implicaciones profundas en la física de partículas y ayudaría a explicar el desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.
GERDA, ubicado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia, utilizó detectores de germanio altamente enriquecido en el isótopo germanio-76, un material ideal para la búsqueda de la desintegración beta doble. El experimento implementó un diseño innovador en el que los detectores estaban sumergidos en argón líquido ultra puro, lo que permitió reducir de manera significativa el ruido de fondo, un desafío crucial en este tipo de experimentos.
Desde su puesta en marcha en 2011 hasta su finalización en 2020, GERDA estableció los límites más estrictos sobre la vida media de la desintegración beta doble sin neutrinos, descartando algunas teorías previas sobre la masa de los neutrinos. Aunque no logró detectar este fenómeno, sus avances en reducción de ruido y precisión han servido de base para el desarrollo de su sucesor, LEGEND, que ampliará la búsqueda con una sensibilidad aún mayor.
GERDA fue un experimento fundamental en la exploración de la física más allá del modelo estándar, proporcionando información clave para futuras investigaciones sobre la naturaleza de los neutrinos y su papel en la evolución del universo.
GRAND: Captando neutrinos cósmicos con antenas de radio
El experimento GRAND (Giant Radio Array for Neutrino Detection) es un ambicioso proyecto diseñado para detectar neutrinos de ultra alta energía (UHEν) provenientes del espacio profundo. Su objetivo principal es identificar señales de neutrinos cósmicos generados en eventos extremos, como colisiones de agujeros negros, explosiones de supernovas y fuentes astrofísicas exóticas.
GRAND empleará una red de hasta 200.000 antenas de radio distribuidas en varias ubicaciones del mundo, especialmente en regiones con terrenos montañosos. Su método de detección se basa en la observación de las ondas de radio producidas cuando un neutrino tau de altísima energía interactúa con la Tierra, generando partículas secundarias que emergen y producen una lluvia de partículas detectables en la atmósfera.
Una de sus ventajas es que cubre áreas gigantescas, lo que aumenta significativamente la probabilidad de detectar eventos raros. Además de los neutrinos, GRAND también podrá estudiar rayos cósmicos de ultra alta energía y ondas gravitacionales, contribuyendo al campo de la astrofísica multimensajero.
Actualmente, GRAND está en una fase de desarrollo con prototipos operando en China y otras ubicaciones estratégicas. Si el proyecto alcanza su fase final, será el detector de neutrinos cósmicos más grande y sensible jamás construido, abriendo una nueva era en el estudio de los fenómenos más energéticos del universo.
HALO: Detectando neutrinos de supernovas
El experimento HALO (Helium And Lead Observatory) es un detector de neutrinos de supernova ubicado en el Laboratorio Subterráneo de SNOLAB, en Canadá. Su propósito es registrar los neutrinos emitidos en explosiones de supernovas cercanas, proporcionando información clave sobre el colapso de las estrellas masivas y los mecanismos de formación de estrellas de neutrones y agujeros negros.
HALO utiliza plomo como material detector y helio como moderador para optimizar la detección de interacciones de neutrinos. Cuando un neutrino interactúa con los núcleos de plomo, se generan neutrones que son captados por detectores de helio-3. Esta técnica le permite a HALO ser altamente eficiente en la detección de neutrinos electrónicos provenientes de supernovas.
Este detector forma parte de la red Supernova Early Warning System (SNEWS), que agrupa múltiples experimentos de neutrinos en todo el mundo para alertar a la comunidad científica en caso de una supernova cercana. Si una estrella en nuestra galaxia colapsara en una supernova, HALO ayudaría a proporcionar una alerta temprana antes de que la luz de la explosión llegue a la Tierra, permitiendo a los astrónomos observar el evento en tiempo real.
Aunque es un detector compacto en comparación con otros experimentos, HALO cumple una función crucial en la astrofísica de neutrinos, ofreciendo un enfoque especializado para captar eventos raros pero altamente informativos sobre la evolución del universo.
Construcción de HALO. Fuente: https://www.snolab.ca/halo/index.htmlHERON: Explorando neutrinos con helio superfluido
El experimento HERON (Helium Roton Observation of Neutrinos) es un proyecto propuesto para detectar neutrinos de baja energía, especialmente aquellos provenientes del Sol. Su diseño innovador se basa en el uso de helio superfluidocomo medio de detección, una técnica que ofrece una sensibilidad sin precedentes para estudiar interacciones de neutrinos con materia.
Cuando un neutrino interactúa con los electrones del helio superfluido, se producen rotones y fonones, que son excitaciones cuánticas en el líquido. Estas señales pueden ser detectadas con alta precisión, lo que permite medir eventos extremadamente sutiles. Gracias a esta tecnología, HERON podría alcanzar una resolución energética muy superior a la de otros detectores de neutrinos solares.
HERON se encuentra en fase de desarrollo, pero su potencial es enorme. No solo permitiría estudiar con gran detalle los neutrinos producidos en las reacciones de fusión del Sol, sino que también podría contribuir a la búsqueda de materia oscura, al detectar posibles señales de partículas exóticas que interactúan débilmente con la materia.
Si se implementa con éxito, HERON marcaría un avance en la detección de neutrinos de muy baja energía, ofreciendo una nueva ventana para explorar la física de partículas y la astrofísica solar.
Homestake-Chlorine: El primer detector de neutrinos solares
El experimento Homestake-Chlorine, también conocido como el Experimento de Homestake, fue el primer detector de neutrinos solares de la historia. Diseñado por Raymond Davis Jr. y John N. Bahcall, este experimento pionero operó desde la década de 1960 hasta 1994 en la mina de Homestake, en Dakota del Sur, EE. UU.
Utilizaba un tanque de 615 toneladas de tetracloroetileno (C₂Cl₄), una sustancia rica en cloro-37, que capturaba neutrinos electrónicos provenientes del Sol. Cada vez que un neutrino interactuaba con un átomo de cloro, lo transformaba en argón radiactivo. Los científicos extraían periódicamente los átomos de argón acumulados para medir la cantidad de neutrinos detectados.
El resultado más impactante de Homestake fue que detectó solo un tercio de los neutrinos esperados, lo que dio origen al problema de los neutrinos solares. Durante décadas, esta discrepancia desafió las teorías sobre el funcionamiento del Sol y la física de partículas. Finalmente, en los años 2000, otros experimentos confirmaron que los neutrinos cambian de tipo (oscilaciones de neutrinos) mientras viajan, resolviendo el misterio y demostrando que los neutrinos tienen masa.
El experimento de Homestake fue una de las bases para el desarrollo de la física de neutrinos y le valió a Raymond Davis Jr. el Premio Nobel de Física en 2002. Aunque hoy en día hay detectores más avanzados, su legado sigue siendo fundamental en la historia de la astrofísica y la física de partículas.
Homestake-Iodine: Una variante del experimento pionero de neutrinos
El experimento Homestake-Iodine fue una propuesta derivada del famoso Experimento de Homestake, pero en lugar de utilizar cloro-37, emplearía yodo-127 como material detector para capturar neutrinos solares.
El principio de detección sería similar al del experimento original: los neutrinos electrónicos interactuarían con los átomos de yodo, transformándolos en un isótopo radiactivo detectable. Se esperaba que este método permitiera una medición más precisa del flujo de neutrinos solares y proporcionara información complementaria sobre el espectro de energías de los neutrinos emitidos por el Sol.
Sin embargo, Homestake-Iodine nunca llegó a construirse. Aunque se realizaron estudios teóricos y pruebas preliminares, otros detectores más avanzados, como GALLEX, SAGE y Super-Kamiokande, tomaron la delantera en la investigación de neutrinos solares.
A pesar de no haber sido llevado a cabo, Homestake-Iodine representó un intento temprano de diversificar las técnicas de detección de neutrinos y contribuir a la resolución del problema de los neutrinos solares, que finalmente se explicó con el descubrimiento de la oscilación de neutrinos.
ICARUS: Un detector de neutrinos con tecnología de argón líquido
El experimento ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) es un detector de neutrinos que utiliza la técnica de cámara de proyección temporal (TPC) con argón líquido, una de las tecnologías más avanzadas en la física de neutrinos. Originalmente diseñado y operado en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en Italia, ICARUS fue trasladado en 2017 al Fermilab, en Estados Unidos, para formar parte del programa de investigación de neutrinos de largo recorrido.
ICARUS está compuesto por 760 toneladas de argón líquido ultrapuro, lo que permite registrar con gran precisión las trayectorias de partículas cargadas producidas en interacciones de neutrinos. Su capacidad de obtener imágenes tridimensionales detalladas de estos eventos lo hace un experimento clave para el estudio de oscilaciones de neutrinos y para la búsqueda de anomalías que podrían indicar la existencia de neutrinos estériles, un tipo hipotético de neutrino que no interactúa con la materia ordinaria.
Uno de los logros más importantes de ICARUS durante su tiempo en Gran Sasso fue su contribución a la búsqueda de neutrinos de alta energía de fuentes astrofísicas, además de su participación en estudios sobre la estabilidad del protón y la detección de neutrinos de origen cósmico. Ahora, en Fermilab, ICARUS es una parte esencial del Short-Baseline Neutrino Program (SBN), donde complementa experimentos como MicroBooNE y SBND en la exploración de la física de neutrinos de corta distancia.
ICARUS representa un paso importante en la evolución de los detectores de neutrinos y sigue siendo una referencia en el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en argón líquido para la próxima generación de experimentos en este campo.
IceCube: Un observatorio de neutrinos en la Antártida
El IceCube Neutrino Observatory es uno de los experimentos más ambiciosos para la detección de neutrinos de alta energía. Ubicado en la Estación Amundsen-Scott en la Antártida, IceCube consiste en un conjunto de más de 5.000 sensores ópticos distribuidos en un kilómetro cúbico de hielo, lo que lo convierte en el detector de neutrinos más grande del mundo.
IceCube detecta neutrinos mediante la observación de la luz Cherenkov, un destello azul característico que se produce cuando una partícula cargada, generada por la interacción de un neutrino con el hielo, viaja más rápido que la luz en ese medio. Gracias a su enorme volumen y su entorno extremadamente puro, IceCube puede captar neutrinos provenientes de las fuentes más energéticas del universo, como explosiones de supernovas, agujeros negros y núcleos galácticos activos.
Uno de sus logros más importantes fue, en 2017, la primera detección de un neutrino de origen astrofísico vinculado a un blázar, un tipo de galaxia con un agujero negro supermasivo en su núcleo. Este hallazgo confirmó que los blázares pueden ser fuentes de neutrinos cósmicos, proporcionando nuevas pistas sobre el origen de los rayos cósmicos de ultra alta energía.
IceCube también colabora con otros experimentos en la astrofísica multimensajero, combinando la detección de neutrinos con observaciones de ondas gravitacionales y emisiones electromagnéticas para estudiar fenómenos extremos del cosmos. Además, continúa explorando posibles señales de nueva física, como neutrinos estériles y la materia oscura.
Gracias a su diseño innovador y sus continuos descubrimientos, IceCube ha revolucionado la astronomía de neutrinos y sigue siendo una de las herramientas más avanzadas para comprender los procesos más energéticos del universo.
India-based Neutrino Observatory (INO): Un laboratorio subterráneo para neutrinos
El India-based Neutrino Observatory (INO) es un ambicioso proyecto destinado a la construcción de un observatorio de neutrinos subterráneo en India. Su objetivo principal es estudiar los neutrinos atmosféricos y explorar fenómenos fundamentales en la física de partículas, como la jerarquía de masas de los neutrinos y la posibilidad de nueva física más allá del modelo estándar.
El componente central de INO será el Iron Calorimeter Detector (ICAL), un detector de 50.000 toneladas diseñado para analizar la interacción de neutrinos muónicos con placas de hierro y medir con precisión sus propiedades. Su diseño permitirá diferenciar entre neutrinos y antineutrinos, lo que es crucial para resolver incógnitas sobre las masas y oscilaciones de estas partículas.
La ubicación planificada para INO es en una caverna excavada bajo una montaña en el estado de Tamil Nadu, a más de 1.000 metros de profundidad. Esta gran profundidad es clave para reducir la interferencia de los rayos cósmicos, asegurando un entorno más limpio para la detección de neutrinos.
A pesar de sus beneficios científicos, INO ha enfrentado retrasos debido a desafíos administrativos y ambientales. Sin embargo, si se completa, será el primer observatorio de neutrinos de gran escala en India, colocando al país en una posición destacada dentro de la investigación global en física de neutrinos.
IceCube Neutrino Observatory. Fuente: WikipediaSuper-Kamiokande: Un referente en la física de neutrinos
El Super-Kamiokande, ubicado en Japón, ha sido fundamental en la detección de neutrinos solares, atmosféricos y de supernovas. Es un tanque gigante de agua ultrapura equipado con miles de fotomultiplicadores que registran la luz Cherenkov generada por neutrinos.
Uno de sus mayores logros fue la confirmación de las oscilaciones de neutrinos en 1998, lo que demostró que estas partículas tienen masa. Este descubrimiento cambió nuestra comprensión de la física de partículas y llevó al premio Nobel en 2015. Actualmente, el detector se sigue mejorando para aumentar su sensibilidad y permitir nuevas investigaciones.
JUNO: Buscando la jerarquía de masas de los neutrinos
El Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) es un experimento de neutrinos en construcción en China, diseñado para resolver una de las mayores incógnitas de la física de neutrinos: la jerarquía de masas de los neutrinos. Su objetivo es determinar si la masa del neutrino más ligero es mayor o menor que la del intermedio, lo que permitiría entender mejor el mecanismo de oscilaciones de neutrinos y su papel en la física fundamental.
Para lograr esto, JUNO contará con un detector esférico de 20.000 toneladas de líquido centelleador, rodeado de más de 17.000 fotomultiplicadores, que permitirán detectar con altísima precisión los antineutrinos emitidos por reactores nucleares cercanos. La gran resolución energética de JUNO lo hará capaz de observar con detalle las oscilaciones de neutrinos, mejorando las mediciones obtenidas por experimentos anteriores.
Además de su objetivo principal, JUNO también podrá estudiar neutrinos solares, atmosféricos y de supernovas, y buscar señales de materia oscura y física más allá del modelo estándar. Gracias a su diseño avanzado y su gran capacidad de detección, se espera que JUNO proporcione datos fundamentales para futuras investigaciones en astrofísica y física de partículas.
JUNO está previsto para comenzar operaciones en los próximos años y, cuando lo haga, se convertirá en uno de los detectores de neutrinos más sensibles del mundo, aportando información clave sobre la estructura y propiedades de estas partículas elusivas.
Kamiokande: Un detector pionero en la física de neutrinos
El experimento Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment) fue un detector de neutrinos construido en Japónen la década de 1980. Ubicado en la mina Kamioka, este experimento revolucionó la física de neutrinos al ser uno de los primeros en observar neutrinos solares y neutrinos provenientes de supernovas, además de realizar búsquedas de la desintegración del protón.
Kamiokande utilizaba un tanque de agua ultrapura de 3.000 toneladas, rodeado de fotomultiplicadores, para detectar la luz Cherenkov producida cuando un neutrino interactuaba con los electrones o núcleos del agua. En 1987, Kamiokande hizo historia al detectar neutrinos provenientes de la supernova SN 1987A, marcando la primera observación directa de neutrinos de una explosión estelar fuera del sistema solar.
El experimento también desempeñó un papel clave en la detección de neutrinos solares, confirmando que la cantidad observada era menor a la predicha por los modelos teóricos. Esto contribuyó a la resolución del problema de los neutrinos solares, que finalmente se explicó con el descubrimiento de la oscilación de neutrinos.
Kamiokande fue sucedido por Super-Kamiokande, una versión mucho más grande y avanzada que continúa operando en la actualidad. Gracias a su impacto en la física de neutrinos, el trabajo realizado en Kamiokande llevó al científico Masatoshi Koshiba a recibir el Premio Nobel de Física en 2002.
KamLAND: Detectando antineutrinos de reactor y neutrinos geológicos
El experimento KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) es un detector de antineutrinos de reactor ubicado en la mina Kamioka, en Japón. Su principal objetivo ha sido estudiar las oscilaciones de neutrinos midiendo los antineutrinos emitidos por reactores nucleares cercanos.
KamLAND utiliza un detector de 1.000 toneladas de líquido centelleador, rodeado por miles de fotomultiplicadoresque captan la luz producida cuando un antineutrino interactúa con los protones del líquido. En 2002, KamLAND confirmó con gran precisión la existencia de oscilaciones de neutrinos, proporcionando evidencia adicional de que los neutrinos tienen masa, un descubrimiento clave en la física de partículas.
Además de los antineutrinos de reactor, KamLAND también ha sido fundamental en la detección de neutrinos geológicos, partículas emitidas por la desintegración radiactiva de elementos en el interior de la Tierra. Estos datos han permitido estudiar la geoneutrinos, brindando información sobre la producción de calor dentro del planeta.
KamLAND sigue en operación y ha refinado las mediciones de oscilaciones de neutrinos, contribuyendo a experimentos posteriores. Su legado ha sido fundamental en el desarrollo de técnicas avanzadas de detección de neutrinos y ha permitido una mejor comprensión de la estructura de la Tierra y de las propiedades fundamentales de estas partículas.
KM3NeT: Un telescopio submarino para neutrinos de alta energía
El experimento KM3NeT (Kilometer Cube Neutrino Telescope) es un gran observatorio submarino de neutrinos en construcción en el mar Mediterráneo. Su objetivo principal es detectar neutrinos de alta energía provenientes de fuentes cósmicas, como explosiones de supernovas, núcleos galácticos activos y colisiones de agujeros negros.
KM3NeT consta de múltiples unidades detectoras ancladas en el fondo del mar a profundidades de más de 2.500 metros. Cada unidad está compuesta por largas líneas con esferas de cristal llenas de sensores ópticos, diseñadas para captar la luz Cherenkov generada cuando un neutrino interactúa con el agua. Su ubicación bajo el mar proporciona un entorno natural que protege el detector de la radiación cósmica de fondo, mejorando la sensibilidad a los eventos de neutrinos.
El proyecto tiene dos ramas principales:ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), que se enfoca en la detección de neutrinos astrofísicos de ultra alta energía, actuando como un telescopio de neutrinos para estudiar el universo extremo.
ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), optimizado para investigar la jerarquía de masas de los neutrinos y sus oscilaciones, ayudando a responder preguntas clave sobre la física de partículas.
KM3NeT será un complemento esencial a otros observatorios de neutrinos como IceCube, proporcionando una cobertura hemisférica del cielo y permitiendo estudios comparativos de eventos astrofísicos desde diferentes partes del mundo. A medida que se complete su construcción, KM3NeT contribuirá significativamente a la astrofísica multimensajero, combinando la detección de neutrinos con observaciones de ondas gravitacionales y radiación electromagnética.
LAGUNA: Un proyecto para grandes detectores de neutrinos en Europa
El experimento LAGUNA (Large Apparatus studying Grand Unification and Neutrino Astrophysics) fue un proyecto europeo diseñado para desarrollar un gran detector subterráneo de neutrinos con múltiples aplicaciones en física de partículas, astrofísica y geofísica. Su objetivo era elegir la mejor tecnología y ubicación para un observatorio de neutrinos de nueva generación en Europa.
LAGUNA estudió tres tecnologías principales para la detección de neutrinos:GLACIER (Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment): Un detector basado en argón líquido, ideal para estudiar oscilaciones de neutrinos y buscar señales de física más allá del modelo estándar.
LENA (Low Energy Neutrino Astronomy): Un detector de líquido centelleador, diseñado para la detección de neutrinos solares, supernovas y geoneutrinos.
MEMPHYS (Mega-ton Mass PHYSics experiment): Un detector de agua Cherenkov, similar a Super-Kamiokande, pero a gran escala, para estudiar oscilaciones de neutrinos y la desintegración del protón.
El proyecto evaluó posibles ubicaciones en varios países europeos, como Francia, Finlandia y Polonia, considerando factores como la profundidad, la estabilidad geológica y la proximidad a fuentes de neutrinos.
Aunque finalmente no se construyó un detector bajo LAGUNA, la investigación contribuyó al desarrollo de otros grandes experimentos en curso, como DUNE y Hyper-Kamiokande, que incorporaron muchas de las ideas estudiadas en este proyecto.
LAGUNA representó un esfuerzo clave para fortalecer la investigación en neutrinos en Europa, sentando las bases para futuras infraestructuras que permitirán explorar los misterios del universo desde el subsuelo.
LENS: Explorando los neutrinos solares con espectroscopía de baja energía
El experimento LENS (Low Energy Neutrino Spectroscopy) fue un proyecto diseñado para detectar neutrinos solares de baja energía, con el objetivo de estudiar con gran precisión las reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol. Su enfoque principal era medir el flujo de neutrinos electrónicos provenientes del ciclo pp y la reacción CNO, fundamentales para entender cómo se genera la energía solar.
LENS proponía el uso de un detector basado en indio líquido centelleador, una tecnología innovadora que permitiría una espectroscopía precisa de los neutrinos mediante el proceso de captura inversa de electrones. A diferencia de otros detectores, LENS pretendía distinguir individualmente los diferentes espectros de energía de los neutrinos solares, proporcionando una medición más detallada de sus fuentes.
Uno de los objetivos clave de LENS era probar el modelo estándar del Sol con una precisión sin precedentes y buscar posibles desviaciones que podrían indicar física más allá del modelo estándar, como nuevas interacciones de neutrinos o efectos de materia oscura.
A pesar de su potencial, el experimento no llegó a completarse, pero su desarrollo influyó en futuras propuestas para la detección de neutrinos solares de baja energía. Actualmente, experimentos como Borexino y JUNO han retomado parte de estas ideas, avanzando en la investigación de la producción de energía solar y la naturaleza de los neutrinos.
Modelo de Kamioka. Fuente: Wikipedia
Majorana Demonstrator: Buscando la desintegración beta doble sin neutrinos
El experimento Majorana Demonstrator fue diseñado para investigar uno de los fenómenos más intrigantes de la física de partículas: la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ). Si se detectara este proceso, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas (partículas de Majorana), lo que tendría profundas implicaciones en la comprensión de la materia y la asimetría del universo.
Ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Sanford (SURF), en EE. UU., Majorana Demonstrator utilizó detectores de germanio-76 ultrapuro dentro de un entorno altamente controlado para minimizar el ruido de fondo. Su diseño innovador permitió reducir la contaminación radiactiva y mejorar la sensibilidad en la búsqueda de señales extremadamente raras.
Aunque no logró detectar la desintegración beta doble sin neutrinos, estableció límites muy estrictos sobre la vida media de este proceso, ayudando a descartar ciertos modelos teóricos. Además, sus avances en reducción de ruido y purificación de materiales han sido fundamentales para experimentos de próxima generación, como LEGEND, que continuará la búsqueda con una escala aún mayor.
Majorana Demonstrator representó un paso crucial en la exploración de la física más allá del modelo estándar, proporcionando información clave sobre la naturaleza de los neutrinos y su posible relación con el origen de la materia en el universo.
MicroBooNE: Buscando anomalías en los neutrinos
El experimento MicroBooNE, ubicado en Fermilab (EE. UU.), es un detector de neutrinos de acelerador diseñado para estudiar oscilaciones de neutrinos y anomalías observadas en experimentos anteriores. Su principal objetivo es investigar el posible exceso de eventos de neutrinos electrónicos reportado por el experimento MiniBooNE, que podría indicar la existencia de neutrinos estériles, una hipótesis que desafiaría el modelo estándar de la física de partículas.
MicroBooNE utiliza una cámara de proyección temporal (TPC) de argón líquido, una tecnología avanzada que permite registrar con gran precisión las trayectorias de las partículas generadas en interacciones de neutrinos. Gracias a esta capacidad de imagen detallada, el experimento ha podido analizar de manera exhaustiva las colisiones de neutrinos con la materia, reduciendo errores sistemáticos en la detección.
En 2021, MicroBooNE publicó resultados clave que no encontraron evidencia de neutrinos estériles, descartando una de las explicaciones propuestas para la anomalía de MiniBooNE. Sin embargo, sus datos siguen siendo esenciales para comprender mejor la física de neutrinos y mejorar la tecnología de detección para experimentos futuros.
Además de su búsqueda de nuevas partículas, MicroBooNE ha proporcionado mediciones detalladas de interacciones neutrino-núcleo, lo que ayuda a mejorar la interpretación de datos en experimentos como DUNE, donde la tecnología de argón líquido jugará un papel central en el estudio de neutrinos.
MINERνA: Estudiando interacciones de neutrinos con la materia
El experimento MINERνA (Main Injector Experiment for ν-A) es un detector de neutrinos de acelerador ubicado en Fermilab (EE. UU.), diseñado para estudiar con gran detalle cómo interactúan los neutrinos con diferentes materiales. Su objetivo principal es mejorar la comprensión de estas interacciones, lo que es esencial para reducir las incertidumbres en otros experimentos de oscilación de neutrinos.
MINERνA utiliza un conjunto de detectores modulares hechos de distintos materiales, como carbono, hierro, plomo y agua, lo que permite comparar cómo los neutrinos interactúan en cada uno. Estas mediciones son cruciales para interpretar con mayor precisión los datos de experimentos como NOνA y DUNE, que estudian las oscilaciones de neutrinos en largas distancias.
Entre sus logros más importantes, MINERνA ha realizado mediciones precisas de la dispersión de neutrinos en núcleos atómicos, lo que ha permitido refinar los modelos teóricos de interacción neutrino-materia. También ha investigado procesos de producción de piones y kaones, partículas fundamentales en la formación de haces de neutrinos en aceleradores.
Gracias a sus contribuciones, MINERνA ha ayudado a mejorar la precisión en la detección y análisis de neutrinos, proporcionando datos fundamentales para la próxima generación de experimentos de física de partículas.
MiniBooNE: Investigando anomalías en las oscilaciones de neutrinos
El experimento MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), ubicado en Fermilab (EE. UU.), fue diseñado para estudiar las oscilaciones de neutrinos y buscar evidencia de neutrinos estériles, un tipo hipotético de neutrino que no interactúa con la materia ordinaria y que desafiaría el modelo estándar de la física de partículas.
MiniBooNE utilizó un tanque esférico de 800 toneladas de aceite mineral rodeado de más de 1.200 fotomultiplicadores, que detectaban la luz Cherenkov emitida cuando los neutrinos interactuaban con los núcleos atómicos del detector. Operó entre 2002 y 2019, utilizando un haz de neutrinos muónicos para estudiar cómo se transformaban en neutrinos electrónicos en una distancia corta.
Uno de sus resultados más impactantes fue la detección de un exceso inesperado de eventos de neutrinos electrónicos, lo que sugería una posible desviación del modelo estándar. Este resultado reavivó el interés en la existencia de neutrinos estériles y generó un gran debate en la comunidad científica. Sin embargo, experimentos posteriores como MicroBooNEno encontraron evidencia concluyente que confirmara esta hipótesis.
A pesar de su cierre en 2019, MiniBooNE dejó un legado importante en la física de neutrinos al proporcionar datos clave sobre sus interacciones y contribuir al desarrollo de futuros experimentos como DUNE y SBND, que seguirán explorando las oscilaciones de neutrinos con mayor sensibilidad.
MINOS: Explorando las oscilaciones de neutrinos a gran escala
El experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) fue un experimento de neutrinos de largo recorrido diseñado para estudiar las oscilaciones de neutrinos muónicos. Operó entre 2005 y 2016, utilizando un haz de neutrinos producido en Fermilab (EE. UU.), que viajaba 734 km hasta un detector subterráneo en la mina Soudan, en Minnesota.
MINOS constaba de dos detectores:El detector cercano, en Fermilab, medía las características del haz de neutrinos justo después de su producción.
El detector lejano, en la mina Soudan, analizaba cómo los neutrinos cambiaban después de viajar cientos de kilómetros a través de la Tierra.
Gracias a esta configuración, MINOS realizó una de las mediciones más precisas de la oscilación de neutrinos, confirmando que los neutrinos muónicos desaparecían en su trayecto, transformándose en neutrinos tau o electrónicos. Sus resultados fueron fundamentales para establecer con precisión los parámetros de oscilación de neutrinos, contribuyendo a la comprensión de sus masas y propiedades.
Además, MINOS también buscó signos de nueva física, como la posible violación de la simetría entre materia y antimateria en las oscilaciones de neutrinos, y exploró límites en la búsqueda de neutrinos estériles.
Tras su cierre, el experimento evolucionó a MINOS+, que amplió su alcance para estudiar neutrinos a energías más altas. Sus hallazgos han sido esenciales para el diseño de experimentos actuales como NOνA y DUNE, que continúan explorando las propiedades fundamentales de los neutrinos con tecnología más avanzada.
MINOS+: Extensión de MINOS para energías más altas
El experimento MINOS+ fue una extensión del exitoso experimento MINOS, operando entre 2013 y 2016 con el objetivo de estudiar neutrinos a energías más altas y buscar señales de física más allá del modelo estándar.
MINOS+ utilizó la misma infraestructura de dos detectores que MINOS: uno en Fermilab y otro en la mina Soudan, a 734 km de distancia. Sin embargo, mientras MINOS se centró en neutrinos de baja energía (~3 GeV), MINOS+ analizó neutrinos en un rango energético de 4 a 10 GeV, permitiendo explorar efectos de oscilación a mayor escala y con mayor precisión.
Entre sus principales contribuciones, MINOS+ ayudó a:Confirmar los parámetros de oscilación de neutrinos con mayor precisión, reforzando los resultados de MINOS.
Buscar desviaciones del modelo estándar, como oscilaciones anómalas que podrían indicar la existencia de neutrinos estériles.
Explorar la violación de simetría entre materia y antimateria, clave para entender el predominio de la materia en el universo.
Aunque el experimento finalizó en 2016, sus datos han sido fundamentales para experimentos posteriores como NOνA y DUNE, que continúan investigando los misterios de los neutrinos con tecnología más avanzada.
MOON: Buscando la desintegración beta doble sin neutrinos
El experimento MOON (Molybdenum Observatory Of Neutrinos) fue un proyecto propuesto para investigar la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ), un proceso hipotético que podría demostrar que los neutrinos son sus propias antipartículas (partículas de Majorana) y ayudar a determinar su masa absoluta.
MOON se diseñó para utilizar molibdeno-100 como isótopo detector, debido a su alta probabilidad de sufrir desintegración beta doble. La detección se basaría en láminas delgadas de molibdeno intercaladas con detectores centelleadores, capaces de medir con precisión la energía de los electrones emitidos en la desintegración.
Este experimento tenía como objetivos principales:Buscar la desintegración beta doble sin neutrinos con una sensibilidad extrema.
Medir la desintegración beta doble con neutrinos (2νββ) con alta resolución para mejorar los modelos teóricos.
Estudiar neutrinos solares y de supernovas, aprovechando su diseño avanzado para detectar señales de baja energía.
Aunque MOON no llegó a construirse, sus conceptos han influido en el desarrollo de experimentos modernos como nEXO y LEGEND, que continúan la búsqueda de la desintegración beta doble con tecnologías más avanzadas.
NEMO-3: Estudiando la desintegración beta doble
El experimento NEMO-3 (Neutrino Ettore Majorana Observatory-3) fue un detector diseñado para estudiar la desintegración beta doble y buscar evidencia de la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ), un proceso que, de confirmarse, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas (partículas de Majorana) y ayudaría a determinar su masa.
Ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Modane (Francia), NEMO-3 operó desde 2003 hasta 2011, utilizando una técnica innovadora basada en fuentes finas de material radiactivo rodeadas de detectores de trazado de partículas y centelleo. A diferencia de otros experimentos que utilizaban un solo volumen de detección, NEMO-3 podía identificar individualmente los electrones emitidos en la desintegración, proporcionando una medición más precisa.
Entre sus principales logros destacan:La detección precisa de la desintegración beta doble con neutrinos (2νββ) en varios isótopos, lo que permitió mejorar modelos teóricos sobre este proceso.
El establecimiento de límites estrictos sobre la desintegración beta doble sin neutrinos, reduciendo el espacio de búsqueda para la masa de los neutrinos.
El desarrollo de tecnologías avanzadas de detección, que fueron clave para su sucesor, SuperNEMO, un experimento de nueva generación que busca mejorar aún más la sensibilidad a la desintegración beta doble sin neutrinos.
Aunque NEMO-3 no logró detectar evidencia de la desintegración beta doble sin neutrinos, su contribución ha sido fundamental en la búsqueda de física más allá del modelo estándar y en la exploración de la naturaleza de los neutrinos.
NEMO Telescope: Explorando los neutrinos en el Mediterráneo
El NEMO Telescope (NEutrino Mediterranean Observatory) fue un experimento diseñado para detectar neutrinos de alta energía provenientes del cosmos, con el objetivo de identificar fuentes astrofísicas como agujeros negros supermasivos, estallidos de rayos gamma y núcleos galácticos activos.
Ubicado en el fondo del mar Mediterráneo, frente a las costas de Sicilia, NEMO fue un prototipo para el desarrollo de KM3NeT, el actual observatorio submarino de neutrinos de gran escala en Europa. Su tecnología se basaba en matrices de sensores ópticos sumergidos a profundidades de hasta 3.500 metros, capaces de detectar la luz Cherenkov producida cuando un neutrino interactúa con el agua.
Los objetivos principales de NEMO incluyeron:Demostrar la viabilidad de un telescopio submarino de neutrinos y desarrollar la infraestructura necesaria para instalar un detector de gran escala.
Estudiar neutrinos astrofísicos de alta energía, complementando experimentos como IceCube en la Antártida.
Monitorear el medio ambiente submarino, proporcionando datos sobre corrientes oceánicas y condiciones ambientales en aguas profundas.
Aunque NEMO no llegó a convertirse en un detector a gran escala, su legado fue clave para el desarrollo de KM3NeT, el actual observatorio de neutrinos del Mediterráneo, que ahora continúa la búsqueda de señales cósmicas con tecnología más avanzada.
Visión artística de KM3NeT. Fuente: WikipediaNEVOD: Un detector de neutrinos atmosféricos y rayos cósmicos
El experimento NEVOD (NEutrino Water Detector) es un detector de neutrinos atmosféricos y rayos cósmicosubicado en el Instituto de Ingeniería Física de Moscú (MEPhI), Rusia. Su diseño innovador le permite estudiar interacciones de neutrinos y partículas cargadas con una precisión única.
A diferencia de otros detectores de neutrinos situados en el subsuelo o bajo el agua, NEVOD es un detector de agua en superficie, lo que lo hace ideal para investigar rayos cósmicos de alta energía y eventos de múltiples partículas producidos en la atmósfera terrestre. Su tecnología se basa en un tanque de agua de 2000 toneladas equipado con fotomultiplicadores, que detectan la luz Cherenkov generada por partículas cargadas al atravesar el medio.
Entre sus principales objetivos científicos están:
- Estudiar los neutrinos atmosféricos y su interacción con la materia.
- Investigar la física de los rayos cósmicos, midiendo lluvias de partículas secundarias generadas por colisiones en la atmósfera.
- Desarrollar y probar nuevas tecnologías de detección de neutrinos, aplicables en experimentos de mayor escala.
Gracias a su enfoque multidisciplinario, NEVOD ha contribuido tanto al estudio de los neutrinos como a la física de rayos cósmicos, proporcionando datos valiosos para mejorar modelos de interacción de partículas a energías extremas.
NEXT: Explorando la desintegración beta doble sin neutrinos con xenón
El experimento NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) está diseñado para buscar evidencia de la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ), un proceso que, de confirmarse, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas y proporcionaría pistas clave sobre la masa del neutrino.
Ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (España), NEXT utiliza una cámara de proyección temporal (TPC) llena de gas xenón a alta presión. Su tecnología permite detectar con gran precisión los electrones emitidos en la desintegración beta doble, diferenciando entre la versión estándar del proceso (con emisión de neutrinos) y la versión hipotética sin neutrinos.
Los objetivos principales de NEXT incluyen:Confirmar o descartar la desintegración beta doble sin neutrinos, estableciendo límites estrictos sobre la masa del neutrino.
Desarrollar técnicas avanzadas de detección que permitan una separación clara de eventos de señal y ruido de fondo.
Proporcionar datos clave para futuros experimentos de física de neutrinos, como nEXO y LEGEND.
Gracias a su alta resolución energética y su capacidad de identificar eventos individuales con gran precisión, NEXT es uno de los experimentos más prometedores en la búsqueda de física más allá del modelo estándar.
NOνA: Un experimento clave en la investigación de oscilaciones de neutrinos
El experimento NOνA (NuMI Off-Axis ν Appearance) es un detector de neutrinos de largo recorrido, diseñado para estudiar las oscilaciones de neutrinos y mejorar la comprensión de sus propiedades fundamentales. Se encuentra en EE. UU. y utiliza un haz de neutrinos generado en Fermilab, que viaja 810 km hasta un detector lejano ubicado en Ash River, Minnesota.
NOνA consta de dos detectores:
- El detector cercano, en Fermilab, mide las características iniciales del haz de neutrinos.
- El detector lejano, en Minnesota, observa cómo los neutrinos han cambiado después de recorrer cientos de kilómetros.
Los principales objetivos científicos de NOνA incluyen:
- Medir con precisión las oscilaciones de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos.
- Determinar la jerarquía de masas de los neutrinos, es decir, el orden relativo de sus masas.
- Buscar signos de violación de la simetría entre neutrinos y antineutrinos, lo que podría ayudar a explicar el predominio de la materia en el universo.
NOνA ha logrado importantes avances en la medición de parámetros de oscilación de neutrinos y sigue operando en la actualidad, proporcionando datos fundamentales para experimentos futuros como DUNE, que explorará estas cuestiones con mayor sensibilidad.
NuCLEUS: Explorando el esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos
El experimento NuCLEUS es un detector de neutrinos de baja energía diseñado para estudiar el esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos (CEvNS, por sus siglas en inglés), un proceso en el que un neutrino interactúa con un núcleo atómico entero en lugar de con partículas individuales. Este fenómeno fue predicho hace décadas, pero solo se confirmó experimentalmente en 2017.
NuCLEUS emplea una tecnología innovadora basada en detectores criogénicos ultraprecisos, capaces de medir los diminutos retrocesos nucleares producidos por la interacción de neutrinos de muy baja energía con la materia. Su diseño compacto y altamente sensible le permite detectar señales extremadamente débiles, algo que es un desafío para la mayoría de los detectores de neutrinos.
Los principales objetivos de NuCLEUS incluyen:Medir con precisión el esparcimiento coherente de neutrinos en núcleos, lo que ayudaría a probar predicciones del modelo estándar de la física de partículas.
Explorar desviaciones en la interacción de neutrinos con la materia, lo que podría indicar la existencia de nueva física, como neutrinos estériles o fuerzas adicionales en la naturaleza.
Desarrollar tecnología para futuras aplicaciones en detección de neutrinos, incluyendo la monitorización de reactores nucleares y estudios de física fundamental.
NuCLEUS representa un paso adelante en la investigación de neutrinos de baja energía y podría abrir la puerta a descubrimientos sobre la naturaleza de la materia y la estructura fundamental del universo.
OPERA: Buscando la transformación de neutrinos tau en aceleradores
El experimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) fue un detector diseñado para estudiar la oscilación de neutrinos muónicos en neutrinos tau, confirmando la existencia de este fenómeno en experimentos con aceleradores de partículas.
Ubicado en el Laboratorio Subterráneo del Gran Sasso (Italia), OPERA recibió un haz de neutrinos muónicosgenerado en el CERN, que viajó 730 km bajo tierra hasta su detector. Su objetivo era identificar eventos en los que un neutrino muónico cambiaba de tipo y se convertía en un neutrino tau, lo que proporcionaría evidencia directa de las oscilaciones de neutrinos.
Para lograrlo, OPERA utilizó una tecnología híbrida que combinaba placas de emulsión nuclear con detectores electrónicos, capaces de registrar con gran precisión las trayectorias de las partículas y detectar las firmas únicas de los neutrinos tau.
Los principales logros de OPERA incluyen:Confirmar la aparición de neutrinos tau en un haz de neutrinos muónicos, demostrando directamente la oscilación de neutrinos con aceleradores.
Mejorar la comprensión de los parámetros de oscilación de neutrinos, contribuyendo a la medición de sus propiedades fundamentales.
Desarrollar tecnologías avanzadas de detección de partículas, aplicables a otros experimentos en física de neutrinos y más allá.
OPERA finalizó sus operaciones en 2015 tras lograr su objetivo principal. Sus resultados fueron un hito en la investigación de neutrinos y sirvieron como base para experimentos futuros como DUNE, que explorará con mayor sensibilidad la transformación de neutrinos y su papel en el universo.
Pierre Auger Observatory: Detectando neutrinos y rayos cósmicos de ultra alta energía
El Pierre Auger Observatory, ubicado en Argentina, es el mayor observatorio del mundo dedicado al estudio de rayos cósmicos de ultra alta energía. Aunque su objetivo principal es investigar el origen y la naturaleza de estos rayos cósmicos, también es capaz de detectar neutrinos de muy alta energía, lo que lo convierte en una herramienta clave para la astrofísica de partículas.
El observatorio combina dos tipos de detectores:1.600 detectores de superficie, que cubren un área de 3.000 km² y registran las lluvias de partículas secundarias producidas cuando un rayo cósmico o un neutrino interactúa con la atmósfera.
Telescopios de fluorescencia, que observan la luz ultravioleta generada por estas lluvias de partículas en la atmósfera.
La detección de neutrinos cósmicos en Pierre Auger es especialmente importante porque estos neutrinos pueden provenir de fuentes astrofísicas extremas, como colisiones de agujeros negros, explosiones de supernovas y núcleos galácticos activos. Su estudio permite explorar eventos de altísima energía que no pueden ser investigados con telescopios tradicionales.
Los principales logros del observatorio incluyen:Establecer límites en el flujo de neutrinos cósmicos, ayudando a definir el rango de energías en el que estos pueden ser detectados.
Identificar correlaciones entre rayos cósmicos y estructuras cósmicas a gran escala, lo que ha proporcionado pistas sobre el origen de estas partículas.
Desarrollar nuevas técnicas para la detección de partículas ultraenergéticas, mejorando la capacidad de exploración del universo extremo.
El Pierre Auger Observatory sigue operando y en constante evolución, con mejoras en sus detectores y análisis de datos para seguir avanzando en la comprensión de los fenómenos más energéticos del cosmos.
NEXUS-NOvA. Fuente: https://novaexperiment.fnal.govRENO: Estudiando las oscilaciones de neutrinos en reactores nucleares
El experimento RENO (Reactor Experiment for Neutrino Oscillation) es un detector de antineutrinos de reactorubicado en Corea del Sur. Su objetivo principal ha sido medir con precisión las oscilaciones de neutrinos electrónicos, estudiando cómo desaparecen a medida que viajan desde los reactores nucleares.
RENO cuenta con dos detectores situados a diferentes distancias de un complejo de seis reactores nucleares en la planta de Yonggwang:
- El detector cercano, ubicado a 290 metros de los reactores, mide la cantidad inicial de antineutrinos emitidos.
- El detector lejano, situado a 1,4 km de distancia, observa cómo han cambiado los antineutrinos después de recorrer esa distancia.
Los principales logros de RENO incluyen:
- Confirmar la desaparición de antineutrinos electrónicos, midiendo con gran precisión los parámetros de oscilación de neutrinos.
- Apoyar los resultados de Daya Bay y Double Chooz, consolidando el conocimiento sobre las oscilaciones de neutrinos de reactor.
- Proporcionar datos clave para futuras investigaciones, mejorando los modelos teóricos de oscilaciones y contribuyendo al diseño de experimentos como JUNO, que explorará la jerarquía de masas de los neutrinos.
El experimento sigue en operación con su extensión RENO-50, que buscará explorar con más detalle la jerarquía de masas de los neutrinos y posibles desviaciones del modelo estándar.
RNO-G: Explorando neutrinos de ultra alta energía en Groenlandia
El experimento RNO-G (Radio Neutrino Observatory in Greenland) es un observatorio diseñado para detectar neutrinos de ultra alta energía (UHEν), aquellos con energías superiores a 10¹⁷ eV, que podrían provenir de los eventos más extremos del universo, como explosiones de supernovas, fusiones de agujeros negros y núcleos galácticos activos.
Ubicado en Groenlandia, RNO-G utiliza una red de antenas de radio enterradas en el hielo, que captan las señales producidas cuando un neutrino tau de alta energía interactúa con la Tierra y genera una lluvia de partículas secundarias. Su diseño es similar al de experimentos previos como ANITA y ARIANNA, pero con la ventaja de operar en un entorno más estable y con una mayor cantidad de estaciones detectoras.
Los principales objetivos de RNO-G incluyen:
- Detectar neutrinos cósmicos de ultra alta energía, proporcionando información clave sobre las fuentes más energéticas del universo.
- Establecer límites sobre el flujo de neutrinos de alta energía, contribuyendo a la astrofísica de partículas.
- Probar nuevas tecnologías de detección de neutrinos, que podrán ser aplicadas en futuros experimentos de gran escala.
RNO-G es actualmente el mayor experimento de detección de neutrinos de radio en el hemisferio norte y complementará observatorios como IceCube y GRAND, permitiendo estudiar el cosmos a través de los neutrinos de mayor energía jamás detectados.
SAGE: Detectando neutrinos solares con galio
El experimento SAGE (Soviet-American Gallium Experiment) fue un detector de neutrinos solares de baja energía, diseñado para medir con precisión el flujo de neutrinos electrónicos provenientes del ciclo pp del Sol. Se llevó a cabo en el Observatorio de Neutrinos de Baksan, en Rusia, y operó desde 1989 hasta 2019.
SAGE utilizó 50 toneladas de galio metálico como material detector. Cuando un neutrino electrónico interactuaba con un átomo de galio-71, este se convertía en germanio-71, un isótopo radiactivo que podía ser extraído y medido. Este método permitió estudiar con gran precisión la cantidad de neutrinos solares detectados.
Los principales logros de SAGE incluyen:
- Confirmar la detección de neutrinos solares de baja energía, proporcionando datos clave para el estudio de las reacciones de fusión en el Sol.
- Contribuir a la solución del problema de los neutrinos solares, mostrando que los neutrinos cambian de tipo (oscilaciones de neutrinos) mientras viajan hacia la Tierra.
- Establecer límites en la búsqueda de nuevas interacciones de neutrinos, ayudando a mejorar los modelos de física de partículas.
SAGE fue uno de los primeros experimentos en confirmar la oscilación de neutrinos en el sector solar, un hallazgo que revolucionó la física de neutrinos y que posteriormente fue confirmado por otros experimentos como GALLEX y Borexino. Su legado sigue influyendo en la investigación actual de neutrinos de baja energía.
SciBooNE: Estudiando interacciones de neutrinos a corta distancia
El experimento SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) fue un detector de neutrinos de aceleradordiseñado para estudiar con precisión cómo los neutrinos muónicos interactúan con la materia. Operó entre 2007 y 2008en Fermilab (EE. UU.), utilizando el haz de neutrinos del Booster Neutrino Beamline (BNB).
SciBooNE estaba compuesto por tres detectores principales:
- SciBar, un detector de trazado basado en centelleadores plásticos para registrar las trayectorias de las partículas cargadas producidas en las interacciones de neutrinos.
- EC (Electromagnetic Calorimeter), que medía la energía de electrones y fotones.
- MRD (Muon Range Detector), diseñado para rastrear la energía y dirección de los muones producidos en las interacciones.
Los principales logros de SciBooNE incluyen:
- Medir con gran precisión las interacciones neutrino-núcleo, proporcionando datos fundamentales para mejorar los modelos teóricos utilizados en experimentos de oscilación de neutrinos.
- Complementar el experimento MiniBooNE, proporcionando mediciones clave sobre la producción de piones y la dispersión de neutrinos en núcleos atómicos.
- Ayudar a reducir incertidumbres en futuros experimentos, como MicroBooNE y DUNE, que continúan investigando el comportamiento de los neutrinos con mayor sensibilidad.
Aunque SciBooNE tuvo una vida operativa corta, sus datos fueron esenciales para refinar la comprensión de las interacciones de neutrinos, lo que ha permitido mejorar la precisión de muchos experimentos actuales y futuros.
SNO: El experimento que resolvió el problema de los neutrinos solares
El Sudbury Neutrino Observatory (SNO) fue un experimento pionero en la detección de neutrinos solares, ubicado en una mina a 2 km de profundidad en Ontario, Canadá. Su objetivo principal fue estudiar el flujo de neutrinos electrónicos provenientes del Sol y comprobar si los neutrinos cambiaban de tipo durante su viaje a la Tierra.
SNO utilizó un tanque de 1.000 toneladas de agua pesada (D₂O) rodeado de 9.600 fotomultiplicadores, lo que le permitió detectar neutrinos mediante tres tipos de interacciones:
- Dispersión elástica, sensible principalmente a neutrinos electrónicos.
- Reacciones de corriente cargada, exclusivas de los neutrinos electrónicos.
- Reacciones de corriente neutra, sensibles a todos los tipos de neutrinos (electrónicos, muónicos y tauónicos).
Los principales logros de SNO incluyen:Demostrar que los neutrinos solares cambian de tipo (oscilaciones de neutrinos), resolviendo el problema de los neutrinos solares al confirmar que el Sol emite la cantidad esperada de neutrinos, pero que estos llegan a la Tierra transformados en otros tipos.
Proporcionar la primera medición precisa del flujo total de neutrinos solares, validando los modelos de fusión del Sol.
Confirmar que los neutrinos tienen masa, un descubrimiento revolucionario que desafió el modelo estándar de la física de partículas.
Gracias a estos avances, Arthur B. McDonald, líder del experimento SNO, recibió el Premio Nobel de Física en 2015junto con Takaaki Kajita, del experimento Super-Kamiokande.
Aunque SNO dejó de operar en 2006, su legado continúa con SNO+, una versión mejorada que busca detectar neutrinos de supernovas, geoneutrinos y desintegración beta doble sin neutrinos.
SNO+: La evolución del observatorio de neutrinos de Sudbury
El experimento SNO+ es la continuación del exitoso Sudbury Neutrino Observatory (SNO), con mejoras significativas para ampliar su capacidad de detección de neutrinos solares, geoneutrinos, supernovas y desintegración beta doble sin neutrinos. Ubicado en la misma mina en Ontario, Canadá, SNO+ sustituye el agua pesada de SNO por un líquido centelleador ultrapuro, lo que aumenta su sensibilidad a eventos de baja energía.
Los objetivos principales de SNO+ incluyen:
- Detectar la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) en telurio-130, lo que permitiría determinar si los neutrinos son sus propias antipartículas.
- Estudiar neutrinos solares con mayor precisión, mejorando las mediciones de SNO y explorando posibles desviaciones del modelo estándar.
- Detectar geoneutrinos, partículas generadas por la desintegración radiactiva en el interior de la Tierra, lo que ayudaría a comprender mejor la producción de calor dentro del planeta.
- Observar neutrinos de supernovas, proporcionando alertas tempranas en caso de explosiones estelares cercanas.
Gracias a su nuevo diseño, SNO+ es capaz de explorar una gama más amplia de fenómenos físicos en comparación con su predecesor. Además, contribuye al desarrollo de tecnologías avanzadas para la detección de neutrinos de baja energía, con aplicaciones en experimentos futuros.
SNO+ sigue en operación y se espera que proporcione datos clave sobre la naturaleza de los neutrinos y su impacto en la astrofísica y la física de partículas.
Experimento STEREO. Representación pictórica de la mezcla de sabores de los neutrinos. Fuente: https://www.stereo-experiment.orgSoLid: Buscando oscilaciones de neutrinos a corta distancia
El experimento SoLid (Short baseline Oscillation Search with Lithium-6 Detector) es un detector diseñado para estudiar las oscilaciones de neutrinos a corta distancia, con especial interés en la posible existencia de neutrinos estériles, un tipo de neutrino que no interactúa con la materia ordinaria y que desafiaría el modelo estándar de la física de partículas.
Ubicado en Bélgica, cerca del reactor nuclear de BR2, SoLid emplea una tecnología innovadora basada en detectores modulares de plástico centelleador con litio-6, que permiten detectar antineutrinos electrónicos con gran precisión. La combinación de litio-6 y tecnología de centelleo mejora la sensibilidad del experimento y reduce el ruido de fondo, lo que facilita la detección de oscilaciones anómalas.
Los objetivos principales de SoLid incluyen:
- Buscar evidencia de neutrinos estériles, midiendo con precisión la desaparición de antineutrinos electrónicos a distancias cortas.
- Estudiar las interacciones neutrino-núcleo, proporcionando datos clave para mejorar los modelos teóricos de detección de neutrinos.
- Desarrollar nuevas tecnologías de detección compactas y modulares, con aplicaciones potenciales en monitoreo de reactores nucleares y detección de neutrinos en entornos difíciles.
SoLid sigue en operación y es uno de los experimentos más prometedores en la búsqueda de física más allá del modelo estándar, complementando otros estudios de oscilaciones de neutrinos en reactores como STEREO y DANSS.
STEREO: Buscando neutrinos estériles en reactores nucleares
El experimento STEREO (STErile neutrino REactor Oscillation experiment) fue diseñado para estudiar las oscilaciones de neutrinos a corta distancia, con el objetivo de buscar evidencia de la existencia de neutrinos estériles, una hipotética cuarta familia de neutrinos que no interactúan con la materia ordinaria.
Ubicado en el reactor nuclear del Instituto Laue-Langevin (ILL) en Francia, STEREO emplea un detector segmentado de líquido centelleador especialmente diseñado para medir con alta precisión el flujo y la energía de los antineutrinos electrónicos generados en el reactor. Su diseño modular permite detectar posibles anomalías en la desaparición de antineutrinos a diferentes distancias del reactor.
Los principales objetivos de STEREO incluyen:
- Buscar oscilaciones de neutrinos a corta distancia, que podrían indicar la presencia de neutrinos estériles.
- Medir con precisión el espectro de antineutrinos de reactor, proporcionando datos clave para mejorar los modelos teóricos de producción de neutrinos en reactores nucleares.
- Reducir las incertidumbres en la física de neutrinos de baja energía, mejorando la comprensión de las interacciones neutrino-núcleo.
STEREO ha proporcionado datos fundamentales sobre la producción de neutrinos en reactores y ha ayudado a establecer límites estrictos sobre la posible existencia de neutrinos estériles en su rango de estudio. Sus resultados complementan otros experimentos similares, como DANSS y SoLid, que continúan investigando anomalías en las oscilaciones de neutrinos a distancias cortas.
Super-Kamiokande: El detector de neutrinos que revolucionó la física de partículas
El Super-Kamiokande (Super-K) es uno de los detectores de neutrinos más importantes del mundo. Ubicado en la mina Kamioka, en Japón, a 1.000 metros bajo tierra, ha sido clave en el estudio de neutrinos solares, atmosféricos, de supernovas y de aceleradores.
Super-K es un tanque cilíndrico con 50.000 toneladas de agua ultrapura, rodeado por más de 13.000 fotomultiplicadores que detectan la luz Cherenkov producida cuando los neutrinos interactúan con los electrones o núcleos del agua.
Los principales logros de Super-K incluyen:
- Confirmar las oscilaciones de neutrinos (1998), demostrando que los neutrinos tienen masa, lo que llevó al Premio Nobel de Física en 2015 a Takaaki Kajita.
- Observar neutrinos solares y atmosféricos, ayudando a resolver el problema de los neutrinos solares al demostrar que cambian de tipo en su viaje a la Tierra.
- Detectar neutrinos de supernovas, con la capacidad de proporcionar alertas tempranas en caso de una explosión estelar cercana.
- Buscar la desintegración del protón, un fenómeno hipotético que probaría teorías de gran unificación, aunque aún no se ha observado.
Super-K sigue en operación y se ha actualizado con gadolinio, un material que mejora su sensibilidad a los neutrinos de supernovas. Además, su sucesor, Hyper-Kamiokande, está en construcción y aumentará significativamente la capacidad de detección de neutrinos en el futuro.
SuperNEMO: La nueva generación en la búsqueda de la desintegración beta doble sin neutrinos
El experimento SuperNEMO es el sucesor del exitoso NEMO-3 y está diseñado para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ), un proceso que, de confirmarse, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas y proporcionaría información clave sobre su masa.
Ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Modane (Francia), SuperNEMO utiliza una tecnología avanzada basada en láminas delgadas de material radiactivo intercaladas con detectores de trazado y centelleadores, lo que le permite identificar con precisión los electrones emitidos en la desintegración beta doble y diferenciarlos de otros eventos.
Los objetivos principales de SuperNEMO incluyen:
- Confirmar o descartar la desintegración beta doble sin neutrinos, estableciendo límites más estrictos sobre la masa del neutrino.
- Proporcionar una de las mediciones más precisas de la desintegración beta doble con neutrinos (2νββ), mejorando los modelos de física nuclear.
- Reducir el ruido de fondo al mínimo, mejorando las técnicas de detección en comparación con experimentos anteriores.
SuperNEMO representa un gran avance en la búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar y es una de las principales apuestas en la exploración de la naturaleza fundamental de los neutrinos.
TRIDENT: Un telescopio submarino para neutrinos en aguas profundas
El experimento TRIDENT (TRopIcal Deep-sea Neutrino Telescope) es un proyecto en desarrollo para construir un telescopio de neutrinos en el océano Pacífico, cerca de Taiwán. Su objetivo principal es detectar neutrinos de alta energía provenientes del espacio y estudiar fenómenos astrofísicos extremos como colisiones de agujeros negros, estallidos de rayos gamma y núcleos galácticos activos.
TRIDENT sigue el modelo de telescopios submarinos de neutrinos como ANTARES y KM3NeT, utilizando una red de sensores ópticos anclados en el fondo del mar para captar la luz Cherenkov generada cuando un neutrino de alta energía interactúa con el agua. Su ubicación ecuatorial le permitirá observar regiones del cielo que no son accesibles para otros detectores de neutrinos, complementando experimentos como IceCube en la Antártida.
Los principales objetivos de TRIDENT incluyen:Detectar neutrinos cósmicos de ultra alta energía, proporcionando información sobre su origen y fuentes astrofísicas.
Estudiar la física de neutrinos de alta energía, explorando posibles desviaciones del modelo estándar.
Desarrollar nuevas tecnologías de detección submarina, aplicables tanto en astrofísica como en monitoreo oceánico.
Aunque todavía está en fase de planificación, TRIDENT tiene el potencial de convertirse en un detector clave para la astrofísica de neutrinos, ampliando nuestra capacidad para estudiar el universo desde el fondo del océano.
T2K: Explorando la violación de simetría en neutrinos
El experimento T2K (Tokai to Kamioka) es un experimento de oscilaciones de neutrinos de largo recorrido ubicado en Japón. Su objetivo principal es estudiar la transformación de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos y buscar evidencia de violación de simetría entre materia y antimateria en neutrinos.
T2K utiliza un haz de neutrinos producido en el J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), en Tokai, que viaja 295 km hasta el detector Super-Kamiokande, en la mina Kamioka. Para analizar las oscilaciones de neutrinos con precisión, T2K cuenta con:Detectores cercanos en J-PARC, que miden el haz de neutrinos antes de que oscile.
Super-Kamiokande como detector lejano, que analiza cómo han cambiado los neutrinos tras su viaje.
Los principales logros de T2K incluyen:
- Observar por primera vez la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos, confirmando con gran precisión las oscilaciones de neutrinos.
- Detectar indicios de violación de simetría CP en neutrinos, lo que podría ayudar a explicar por qué el universo está compuesto principalmente de materia en lugar de antimateria.
- Mejorar las mediciones de los parámetros de oscilación de neutrinos, contribuyendo a futuros experimentos como DUNE y Hyper-Kamiokande.
T2K sigue en operación y se espera que continúe refinando la búsqueda de violación de simetría CP, proporcionando información clave sobre el papel de los neutrinos en la evolución del universo.
UNO: Un proyecto para la detección de neutrinos y la desintegración del protón
El Underground Nucleon decay and Neutrino Observatory (UNO) fue un proyecto propuesto para construir un detector de neutrinos y búsqueda de desintegración del protón a gran escala, basado en el diseño de Super-Kamiokande pero con un volumen mucho mayor.
UNO tenía como objetivo principal la detección de:
- Neutrinos de supernovas, proporcionando alertas tempranas en caso de explosiones estelares cercanas.
- Neutrinos solares y atmosféricos, mejorando las mediciones realizadas por Super-Kamiokande.
- Neutrinos de aceleradores, colaborando con experimentos como T2K para estudiar las oscilaciones de neutrinos con mayor sensibilidad.
- La desintegración del protón, un fenómeno hipotético predicho por teorías de gran unificación, cuya detección confirmaría modelos avanzados de física de partículas.
El diseño de UNO proponía un detector con 650.000 toneladas de agua, casi diez veces el tamaño de Super-Kamiokande, y estaría ubicado en una instalación subterránea para minimizar la interferencia de la radiación cósmica.
Aunque el proyecto no se materializó, muchas de sus ideas y objetivos fueron retomados en el desarrollo de Hyper-Kamiokande, el futuro detector de neutrinos en Japón, que mejorará significativamente la sensibilidad en la detección de estos eventos.
El futuro de la detección de neutrinos
Los experimentos de detección de neutrinos han evolucionado enormemente en las últimas décadas, desde los primeros detectores de cloro y galio hasta enormes observatorios submarinos y detectores basados en argón líquido. Cada nueva tecnología ha permitido explorar diferentes aspectos del comportamiento de los neutrinos, desde sus oscilaciones hasta su posible papel en la asimetría entre materia y antimateria. Con proyectos como DUNE, Hyper-Kamiokande y JUNO, se espera mejorar la sensibilidad de detección y responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza de estas partículas.
Además de la física de partículas, la detección de neutrinos tiene implicaciones en otros campos científicos. Los neutrinos astrofísicos permiten estudiar los eventos más energéticos del universo, como explosiones de supernovas y colisiones de agujeros negros. Por otro lado, la detección de geoneutrinos ayuda a comprender la producción de calor en el interior de la Tierra. Con el desarrollo de nuevas tecnologías y la construcción de detectores más avanzados, la investigación de neutrinos seguirá siendo un pilar fundamental en la exploración del universo y la estructura de la materia.
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Fuente:
os-to
