MINOS
MINOS — Main Injector Neutrino Oscillation Search — fue un experimento de neutrinos entre el Fermilab, cerca de Chicago, y una mina de hierro clausurada en Minnesota. Funcionó de 2005 a 2016 e hizo de la oscilación de neutrinos una medida de precisión.
Del descubrimiento a la medición
En 1998 Super-Kamiokande había mostrado que los neutrinos oscilan. La fuente eran los neutrinos atmosféricos — gratuitos, pero no controlados: no se conocen especialmente bien ni su número exacto ni su espectro.
Para una medida precisa hace falta una fuente que uno mismo tenga en la mano. Justamente para eso había inventado Melvin Schwartz el haz de neutrinos en 1960. MINOS lo empleó para convertir un hallazgo cualitativo en una cifra.
Dos detectores, un haz
La idea decisiva es la doble medida.
En el Fermilab, el haz NuMI produce neutrinos muónicos: unos protones chocan contra un blanco de grafito, los piones resultantes son focalizados por cuernos magnéticos y se desintegran a lo largo de un tramo de 675 metros. Un primer detector de 980 toneladas se halla allí en una caverna, a solo un kilómetro del origen — demasiado cerca para que la oscilación pueda desempeñar papel alguno. Mide, por tanto, lo que se ha enviado.
735 kilómetros más allá, a 705 metros de profundidad en la mina de Soudan, se encuentra el segundo detector, de 5 400 toneladas, y mide lo que llega.
La comparación de ambas medidas es el verdadero ardid. Qué intensidad tenía el haz, qué aspecto tenía su espectro, con qué eficacia responden los detectores — todas estas incertidumbres actúan por igual sobre ambas medidas y se cancelan en el cociente. Queda la diferencia, y esa es la oscilación.
Además, ambos detectores estaban construidos de forma idéntica, con las mismas capas alternas de acero y centellador. También eso sirve al objetivo de que los errores sistemáticos se compensen mutuamente.
El acero magnetizado
Una particularidad distinguía a MINOS de todos los demás detectores de neutrinos: el acero estaba magnetizado.
Un campo magnético curva la trayectoria de las partículas cargadas, y del sentido de la curvatura se lee la carga. MINOS podía por ello distinguir muones de antimuones — y con ello neutrinos de antineutrinos.
Eso permitió una prueba que antes nadie podía llevar a cabo: ¿oscilan ambos por igual? Una diferencia habría sido un indicio de una violación de la simetría CPT, uno de los principios más profundos de la física. MINOS no encontró ninguna — dentro de la precisión de medida, neutrinos y antineutrinos se comportan igual.
Los resultados
MINOS determinó la diferencia de cuadrados de masas Δm²₃₂ con una precisión de unos pocos por ciento. Esa cifra sigue estando hoy entre las magnitudes mejor medidas de la física de neutrinos.
Más importante aún que el valor fue el patrón. Faltaban más neutrinos de determinadas energías que de otras, y ello precisamente en la forma que predice una oscilación: un valle en el espectro cuya posición depende de la energía y de la distancia.
Eso excluyó explicaciones rivales. Si los neutrinos simplemente se hubieran desintegrado, o se hubieran escapado a una dimensión adicional — ambas cosas se habían considerado seriamente —, el espectro habría tenido otro aspecto.
Un resultado secundario sobre la velocidad
MINOS midió también con qué rapidez recorrían sus neutrinos los 735 kilómetros, y encontró el resultado compatible con la velocidad de la luz. La misma cuestión le valió al experimento OPERA en 2011 titulares en todo el mundo durante un breve tiempo, hasta que allí se halló un error en la medida del tiempo.
Sucesión
Desde 2014 NOvA utiliza la misma línea de haz, si bien a 14 miliradianes al lado del eje y con un detector de 14 000 toneladas en Ash River, Minnesota. La disposición oblicua proporciona un espectro de energía más estrecho — el mismo ardid que emplea también T2K en Japón.
El paso siguiente en el mismo emplazamiento es DUNE, con 1 300 kilómetros de recorrido en lugar de 735 y argón líquido en lugar de acero.
Términos relacionados
- Oscilación de neutrinos — el proceso medido
- T2K — la contrapartida japonesa
- DUNE — el sucesor en el mismo lugar
- Melvin Schwartz — el método del haz
Fuentes
- Colaboración MINOS: Measurement of Neutrino and Antineutrino Oscillations Using Beam and Atmospheric Data in MINOS, Physical Review Letters 110, 251801 (2013).
- Colaboración MINOS: Measurement of the neutrino velocity with the MINOS detectors, Physical Review D 92, 052005 (2015).