CIEMAT FÍSICA DE PARTÍCULAS

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Unidad de Excelencia María de Maeztu para la investigación en física, astrofísica de partículas y cosmología observacional. Entre las actividades se incluye la física de colisionadores hadrónicos, física de neutrinos y búsqueda de materia oscura, estudio de rayos cósmicos de alta energía, energía oscura,  I+D en detectores, ingeniería electrónica y mecánica avanzada  y computación de altas prestaciones.

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Colaboración Fermilab

La duradera colaboración entre España y Fermilab

En 2015, 700 científicos de todo el mundo se reunieron y establecieron una colaboración para investigar sobre los neutrinos, que ha crecido hasta integrar a más de 1.000 científicos de más de 30 países. España ha estado involucrada desde el principio.


"Fue un momento emocionante", dijo Inés Gil-Botella, miembro del Comité Asesor de Física de Fermilab, e investigadora científica del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de España (CIEMAT). "Fue un gran paso hacia una asociación basada en los neutrinos entre Fermilab y España, y el resto del mundo".


Las primeras reuniones de colaboración prepararon el escenario para lo que rápidamente se convertiría en el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), un nombre que Gil-Botella recuerda en la primera votación de la colaboración. Dado que las instituciones españolas han estado involucradas en el desarrollo de una tecnología similar en el laboratorio europeo CERN, éstas han podido aportar su experiencia técnica de detectores de fotones y criostatos de argón líquido a la colaboración DUNE.
"Los científicos e instituciones españolas tienen una larga historia de trabajo con Fermilab y han hecho innumerables contribuciones importantes a lo largo de los años", dijo el Director de Fermilab, Nigel Lockyer. "Los proyectos tales como el desarrollo del sistema de detección de fotones son críticos para el éxito de DUNE, y nos beneficiamos de la experiencia de nuestros colegas de España".


Actualmente, España está desarrollando un sistema de detección de fotones para el detector gigante de partículas de DUNE. Esto es clave para identificar y recrear una interacción de partículas. El sistema permitirá a los científicos comprender cuándo tuvo lugar una interacción dentro del detector, así como determinar su energía. Conocer esto ayuda a los científicos a identificar cuándo y de dónde provienen los neutrinos, por ejemplo, de una supernova. El sistema se está probando actualmente en uno de los detectores ProtoDUNE en el CERN. Varios científicos españoles también están trabajando en el control e instrumentación del detector DUNE, que les permite a los investigadores por ejemplo ajustar los voltajes y monitorizar las temperaturas.


Mucho antes de que DUNE fuera siquiera una idea, España ya participaba en la investigación de Fermilab, especialmente con la colaboración CDF, que, junto con la colaboración DZero, descubrió el quark top en 1995 utilizando el colisionador de partículas Tevatron. Durante esta época, las instituciones españolas contribuyeron a los experimentos de Fermilab gracias a la experiencia adquirida en el CERN en física de colisionadores. Un vínculo entre la era Tevatron y la actual era DUNE fue el científico Mario Martínez, del Instituto de Física de Altas Energías de Barcelona. Fue líder del experimento CDF, y anteriormente también fue el representante de España en las primeras etapas de LBNF/DUNE.


Actualmente, más de 60 científicos de 15 instituciones españolas contribuyen con su experiencia en más de una docena de experimentos en Fermilab. Además de su investigación en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los científicos españoles aportan sus conocimientos sobre física de neutrinos, criostatos de argón líquido, computación, cosmología, etc. al programa de investigación de Fermilab. El CIEMAT y la Universidad de Granada, por ejemplo, están ayudando a construir el Detector Cercano SBND, que forma parte del Programa de Neutrinos de “short-baseline” de Fermilab, que se basa en la tecnología de detección de argón líquido que también utiliza DUNE.


Los neutrinos tienen tres "sabores" o tipos: muón, electrón y tau. El programa SBN medirá cómo cambian los sabores de los neutrinos a medida que atraviesan los tres detectores, lo que permite a los científicos buscar la existencia de un cuarto tipo de neutrino. El SBND, el detector SBN más cercano al punto de generación de neutrinos, registrará más de un millón de interacciones de neutrinos por año, lo que proporcionará a los científicos un enorme cantidad de datos para analizar.


España está contribuyendo a la simulación del sistema de detección de fotones del SBND. Las dos instituciones (CIEMAT y la Universidad de Granada) esperan incrementar su participación cuando el programa SBN comience a tomar datos. "Estamos abiertos a ayudar en lo que necesiten", dijo Gil-Botella. "La física es el objetivo, y creo que el mundo tiene mucho que ganar".


España también colabora con Fermilab en física teórica. Los científicos están buscando cómo conseguir que experimentos como DUNE puedan ir más allá del Modelo Estándar de Física, el marco que describe las fuerzas y partículas fundamentales de la naturaleza en la escala subatómica. Varios científicos del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) en Valencia, la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Barcelona son colaboradores frecuentes del grupo de física teórica de Fermilab. Éste también ha establecido programas formales de intercambio de seniors y estudiantes con IFIC y UAM, y planea establecer un programa similar con la Universidad de Barcelona. Cada año, el Departamento de Física Teórica de Fermilab recibe a muchos estudiantes, post-docs y científicos de diversas instituciones españolas que van a Fermilab durante varias semanas para realizar su trabajo teórico e interactuar con los físicos teóricos y experimentales de Fermilab.


"Si eres es un físico de neutrinos, Fermilab es el laboratorio de referencia", dijo Michel Sorel, un científico de IFIC que ha participado en los experimentos de neutrinos de Fermilab durante los últimos 20 años. "Es la capital del mundo de los neutrinos".  


Los grupos del Instituto de Ciencias del Espacio, el Instituto de Física de Altas Energías y el CIEMAT también participan en el Dark Energy Survey cuya base está en Fermilab, que completó su sexto y último año de toma de datos a principios de este año. Este experimento es una colaboración internacional que ha estudiado un área del cielo de 5.000 grados cuadrados, recogiendo información de 300 millones de galaxias.


Es importante destacar que las contribuciones van en ambos sentidos. Así por ejemplo, científicos de Fermilab están trabajando en NEXT, el experimento de neutrinos con una TPC de xenón. NEXT está ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc en España, y busca determinar si los neutrinos son o no sus propias antipartículas. "Estamos colaborando en el día a día", dijo Sorel. "Es una relación muy estrecha tanto para las instituciones como para los científicos".

Figura 1

Técnico del CIEMAT instalando el sistema de detección de fotones en uno de los detectores  de ProtoDUNE. Foto: Enrique Calvo, CIEMAT

Figura 2

Colaboradores del Instituto de Física Corpuscular de Valencia, España construyeron un termómetro de 25 pies para uno de los detectores de ProtoDUNE del CERN. Foto: CERN

Figura 3

 Colaboradores del CIEMAT montando la fibra de uno del sistema de calibración ligera de ProtoDUNE. Foto: Enrique Calvo, CIEMAT

Figura 4

Colaboradores de DUNE procedentes del Instituto de Física Corpuscular de Valencia situados cerca de uno de los detectores de ProtoDUNE antes de su instalación en el CERN. Foto: IFIC