Luchando contra los sobrecostos, el Departamento de Energía (DOE) decidió construir el próximo gran experimento de física de partículas de los Estados Unidos en dos fases, dijeron funcionarios a los físicos este mes. La decisión significa que el megaproyecto, en realidad dos esfuerzos entrelazados llamados Instalación de neutrinos de línea de base larga (LBNF) y Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), no se completará con sus especificaciones originales hasta mediados de la década de 2030 en lugar de finales de esta década. y que su costo ya inflado aumentará aún más.
Pero el plan ajustado debería tener una versión reducida de LBNF/DUNE funcionando a partir de 2029, dicen los investigadores. Con esa línea de tiempo, el experimento todavía tiene la oportunidad de vencer a un rival en Japón llamado Hyper-Kamiokande (Hyper-K) en una medición clave de neutrinos, dice Jim Siegrist, director asociado de física de alta energía del DOE, quien presentó el plan en video. el 16 de marzo durante un ejercicio de planificación comunitaria conocido como el proceso Snowmass. “DOE cree que todavía existe la posibilidad de que LBNF/DUNE sea lo primero”, escribió Siegrist en un correo electrónico.
Los físicos involucrados en el proyecto sugirieron el cambio de rumbo, dice Regina Rameika, física de neutrinos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi (Fermilab) y co-portavoz de la colaboración DUNE de 1400 miembros. “Todos estamos en la misma página sobre lo que viene primero y lo que viene después”, dice ella. Pero el calendario extendido presenta un desafío, dice Inés Gil-Botella, física de DUNE en el Centro de Investigaciones Energéticas, Ambientales y Tecnológicas de España. “Necesitamos trabajar más duro para reducir tanto como sea posible cualquier retraso entre la fase uno y la fase dos”, dice ella. El plan revisado deja en claro que el costo estimado actual de $3 mil millones, casi el doble del original, ahora se aplica solo a la primera fase.
Casi sin masa y rara vez interactuando con otra materia, los neutrinos vienen en tres tipos: electrón, muón y tau, dependiendo de cómo se generen. Un tipo puede transformarse en otro a medida que las partículas se deslizan a casi la velocidad de la luz. Para estudiar esas oscilaciones de neutrinos, los físicos pueden disparar un haz de neutrinos muónicos generados con un acelerador de partículas a un detector enorme a cientos de kilómetros de distancia, que cuenta los neutrinos muónicos que llegan, además de los neutrinos electrónicos que han aparecido en el camino.
LBNF/DUNE dispararía un haz intenso de neutrinos muón desde Fermilab a un detector a 1300 kilómetros de distancia en la mina de oro abandonada Homestake en Lead, Dakota del Sur. Lleno de argón líquido helado, el novedoso detector DUNE capturaría las colisiones de neutrinos y núcleos atómicos con un detalle sin precedentes. Además de poner a prueba la teoría de los físicos sobre las oscilaciones de neutrinos, buscaría la violación de la paridad de carga (CP), una asimetría entre las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos que podría ayudar a explicar cómo el universo creó más materia que antimateria.
Después de pelear durante una década, los físicos estadounidenses apoyaron el experimento en 2013 en el anterior Snowmass. Un año después, el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas (P5) del DOE lo nombró el nuevo esfuerzo nacional insignia. En 2015, el DOE adoptó la visión P5: un experimento financiado internacionalmente que tendría un detector de argón líquido con una masa objetivo de al menos 40 000 toneladas, un haz de neutrinos alimentado por un haz de protones de varios megavatios y un detector más pequeño en Fermilab para monitorear el flujo saliente. Haz. Costaría menos de $ 1.9 mil millones y se completará para 2028, estimó el DOE. Pero la remodelación y la excavación en la mina han ayudado a aumentar el costo y retrasar el progreso.
Ahora, Siegrist dice que el proyecto comenzará más pequeño, con un detector en Dakota del Sur que contiene solo dos de los cuatro módulos de argón planeados, con una masa objetivo combinada de no más de 24,000 toneladas. La potencia del haz de protones en Fermilab se limitará a 1,2 megavatios y el detector en el laboratorio será más simple. Después de completar la primera fase, el DOE podría buscar el detector más grande y un mejor haz en una actualización que probablemente cueste cientos de millones de dólares.
Con solo esa primera fase, LBNF/DUNE debería ser capaz de medir la violación de CP. Pero los físicos de Hyper-K de Japón dicen que comenzarán a tomar datos en 2028, un año antes que LBNF/DUNE. Hyper-K consistirá en un tanque cilíndrico subterráneo de 70 metros de altura y lleno de 260.000 toneladas de agua ultrapura. Unos 40.000 fototubos captarán los distintivos destellos de luz generados cuando los neutrinos disparados desde el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón en Tokai, 295 kilómetros al este, interactúan con el agua.
Los trabajadores en Japón ya han comenzado la excavación, dice Matthew Malek, físico Hyper-K de la Universidad de Sheffield. Dado el enfoque relativamente conservador de Japón para la programación, es probable que esa fecha se mantenga, dice. “En esta etapa, realmente no hay posibilidad de que DUNE se encienda antes que Hyper-K”, dice. Pero Marvin Marshak, físico de DUNE en la Universidad de Minnesota, Twin Cities, no concederá la carrera antes de tiempo. “Una cosa que aprendí durante los últimos 50 años que he estado haciendo esto es no sobrestimar a la competencia”, dice.
Hyper-K y DUNE también buscarán neutrinos de explosiones de supernovas y señales de que los protones pueden decaer. El objetivo final de DUNE es probar el modelo de los físicos de tres tipos de neutrinos con suficiente precisión para saber si se descompone en algún nivel, lo que podría ser prueba de nuevas partículas y fuerzas, dice Gil-Botella. Por razones técnicas, Hyper-K tendrá dificultades para hacerlo, dice.
El DOE ha pedido a los físicos que sopesen el caso científico para la segunda fase del nuevo proceso Snowmass y la subsiguiente priorización de P5, lo que podría dar a los escépticos la oportunidad de preguntarse si todo el proyecto vale el costo más alto. Tao Han, un teórico de la Universidad de Pittsburgh que ha estado involucrado en la organización de Snowmass, predice que los físicos estadounidenses reiterarán su apoyo. “Tendremos el apoyo de la comunidad para alcanzar nuestro objetivo final”, dice.
Malek se pregunta si el nuevo plan es la forma en que el DOE dice que la primera etapa es todo lo que construirá. “Cuando construyes algo en varias etapas, las probabilidades de superar la primera etapa son más improbables que probables”, dice. Mary Bishai, física de DUNE en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, lee las cosas de manera diferente: “Jim Siegrist dijo: ‘Ve a Snowmass y regresa con un plan para los módulos detectores tercero y cuarto’. No dijo: ‘Terminamos’”.
El problema llega en un momento de cambio para el programa estadounidense. Fermilab, el único laboratorio de física de partículas dedicado de los Estados Unidos, está buscando un nuevo director después de que Nigel Lockyer anunciara en septiembre de 2021 que dejaría el cargo, 3 meses antes de que el DOE reprobara al laboratorio en su revisión anual de desempeño, citando en parte los problemas con LBNF. /DUNA. Y el 31 de marzo, Siegrist, de 69 años, se jubilará después de 10 años al frente del programa de física de alta energía del DOE. A medida que la física de partículas de EE. UU. entra en aguas turbulentas, no está claro quién tomará el timón.
