A joint Fermilab/SLAC publication
An illustration of the DUNE experiment
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

ARAPUCA: creación de trampas de luz

10/24/19

Instituciones latinoamericanas contribuyen en la creación de detectores de fotones para el Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE).

Todo comenzó mientras conducían.

La física brasilera, Ana Machado y el físico italiano, Ettore Segreto, conducían por una carretera italiana, en dirección al Laboratorio Nacional Gran Sasso, en un viaje de 40 minutos para recoger a su hijo que se encontraba en el jardín de infantes. Como solía suceder, siempre pensaban en la física, en particular, sobre el tema de la luz.

La luz es una herramienta clave que tienen los físicos en su caja de sorpresas, ya que es capaz de vislumbrar galaxias lejanas o rastros de partículas subatómicas. Para los físicos como Machado y Segreto, se trata de un componente crucial en la reconstrucción de las interacciones de partículas evasivas llamadas neutrinos. Los neutrinos rara vez interactúan, y cuando lo hacen liberan una cantidad cuántica de luz llamada fotón. Los científicos se preguntaron, ¿cómo podrían los detectores capturar más eficientemente esas gemas de luz? 

Se imaginaron una caja delgada que contuviese un fotomultiplicador de silicio: un pequeño detector que podría contar fotones individuales. La caja contendría una parte superior transparente por la que la luz podría pasar fácilmente al entrar, combinada con una película que la cambiaría a una longitud de onda diferente. La luz transformada, incapaz de escapar por la misma abertura, se reflejaría dentro de la caja hasta que el fotomultiplicador de silicio la absorbiera y la detectara.

Luego, Machado compara el diseño con una trampa para pájaros y lo bautiza con una palabra indígena guaraní que significa “trampa para atrapar pájaros”. Así nace ARAPUCA. 

Pocos meses antes de que la pareja se mudara de Italia para buscar nuevos empleos en la Universidad de Campinas de Brasil, el país natal de Machado, se dieron prisa para poner a prueba su idea. Después de algunas búsquedas por Internet para encontrar qué filtros y componentes podían comprar comercialmente (con su propio dinero), se pusieron en contacto con un mecánico de Gran Sasso para que los ayudase a construir una caja e instalar un detector de silicio. El prototipo básico era un simple contenedor de 3.3 centímetros cuadrados hecho de teflón, pero que sirvió para demostrar el concepto.

En ese momento no tenían idea de que su tecnología pronto uniría a científicos de toda América Latina. 

Machado and Segreto designing/prototyping ARAPUCA
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

En Brasil

Emocionados por el éxito, la pareja comenzó sus nuevos trabajos en Brasil enfocados en la tecnología ARAPUCA y en cómo podría usarse en el experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), una gran iniciativa apoyada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EEUU, y gestionada por el Fermi National Accelerator Laboratory cerca de Chicago. 

El gigantesco proyecto comenzaba a tomar forma, con planes de construir algunos de los detectores de neutrinos más grandes del mundo e instalarlos a 1.5 kilómetros (aproximadamente una milla) de profundidad en un laboratorio que anteriormente había sido una mina subterránea. Protegidos de señales externas, los detectores serían bombardeados con el haz de neutrinos de alta energía más intenso del mundo. 

El objetivo del DUNE es descubrir algunos de los misterios de los neutrinos, incluida la respuesta a la pregunta más importante de todas: si son parte de la razón por la que existe la materia tal y como la conocemos. Para alcanzar sus objetivos, los científicos tuvieron que reunir enormes cantidades de materiales provenientes de las interacciones de los neutrinos, incluida la luz.

En una conferencia de 2015 en Albany, Nueva York, Machado y Segreto presentaron el diseño de ARAPUCA públicamente por primera vez. El recibimiento fue positivo, y posteriores ajustes y pruebas con científicos del Fermilab, y con nuevos colaboradores en la Universidad Estatal de Colorado mostraron una tecnología que estaba madurando rápidamente. Los resultados fueron tan buenos, dice Machado, que propusieron instalar 32 módulos ARAPUCA en el primer detector ProtoDUNE: un prototipo del tamaño de una casa para probar la tecnología de los detectores finales aún más grandes que los de DUNE.

Incluso con la inminente fecha de inicio de la construcción, la colaboración aceptó su propuesta. En el verano de 2017, Machado y Segreto se encontraban de regreso en Europa, esta vez en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (European Organization for Nuclear Research, CERN) para instalar muchos de los detectores ARAPUCA en el transcurso de seis meses. Cuando se activó el detector ProtoDUNE en 2018, el éxito de ARAPUCA fue claro: la tecnología funcionó, la luz estaba allí y las trazas eran espléndidas.

“Es divertido pensar que todo comenzó a partir de ese momento, durante ese largo viaje”, comenta Segreto. 

“Nunca tuvimos la idea de que ARAPUCA se convertiría en lo que es ahora”, agrega Machado. “Nunca pensamos en que esta idea se convertiría en realidad. Todo lo que nos ha sucedido ha sido una gran sorpresa”.

Machado and Segreto reaching out to scientists and engineers in Brazil, Columbia, Peru, and other countries
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Su extensión por todo el continente

De vuelta en Brasil, Machado y Segreto se encontraron en el centro de un grupo que crecía rápidamente. 

ARAPUCA se había convertido en una pieza importante de tecnología para los experimentos con neutrinos, pero todavía era una de las mil partes necesarias para construir DUNE. ARAPUCA necesitaría conectarse a través de lo que se denomina electrónica fría: el hardware que se encuentra dentro del argón líquido que constituye la mayor parte del detector de neutrinos, se encuentra alrededor de -184 grados Celsius (-300 grados Fahrenheit). Estos componentes electrónicos que van a estar en el ambiente criogénico necesitan interactuar con los componentes electrónicos que se encuentran fuera del detector a temperatura ambiente. Junto con las simulaciones y las pruebas, había mucho trabajo por hacer y se necesitaba una mayor cantidad de personas para ayudar.

Los científicos se movilizaron desde la Universidad de Campinas a otras universidades de Brasil y a otros países latinoamericanos, uniendo un consorcio latinoamericano centrado en la detección de la luz. Machado logró muchas de las conexiones personalmente. Contactó a otros físicos, algunos de los cuales conocía de su programa de doctorado, y los alentó a unirse a sus equipos. 

Así fue como se involucró Jorge Molina, científico de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Asunción (FIUNA), en Paraguay. La institución no tiene un programa de posgrado en física, pero los ingenieros se destacan en instrumentación, por lo que se unieron para trabajar en el ámbito de la electrónica en el año 2017.

“Esta es una gran oportunidad”, comenta Molina. “Nunca se nos ha delegado un gran proyecto como este. Es una oportunidad para demostrar que podemos hacerlo y hacerlo bien. Esta será la puerta para el próximo gran proyecto que surja”.

A veces, la falta de infraestructura científica en el país, que tiene una población de 7 millones, casi la misma cantidad que en Massachusetts, significa que el grupo de Molina tiene que llevar su ciencia a cuestas. A principios de este año, el Paraguay envió un investigador a Fermilab para probar la electrónica en temperaturas criogénicas en el banco de pruebas ICEBERG.

Para muchos colaboradores, participar en ARAPUCA es una oportunidad para ampliar sus habilidades. El equipo colombiano se unió para trabajar en la electrónica caliente (“warm electronics”), aprovechando su década de experiencia en la ejecución de simulaciones para el experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC) en el CERN, y también en el manejo de la digitalización de señales para experimentos con neutrinos a menor escala.

“La diferencia entre ATLAS y DUNE, y algo que me gusta mucho, es que cuando comenzamos con ATLAS, el detector ya estaba diseñado”, dice Deywis Moreno López, científico de la Universidad de Antonio Nariño en Colombia. “Con DUNE, tenemos la oportunidad de participar directamente en el diseño y construcción de los componentes. Es una muy buena oportunidad para involucrar a las universidades y establecer un contacto más cercano con la industria”.

Inside DUNE
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

La colaboración con la industria será vital para producir cientos y cientos de piezas necesarias para ensamblar los inmensos detectores del experimento DUNE. Cada uno de los cuatro módulos detectores contendrá 17.000 toneladas de argón líquido dentro de un contenedor de cuatro pisos de altura. Los aceleradores de Fermilab enviarán billones de neutrinos desde el complejo de aceleradores en Illinois directamente a través de la tierra, sin necesidad de un túnel, a los detectores ubicados en Dakota del Sur. La fracción de neutrinos que impactara con los átomos de argón líquido del detector producirán partículas adicionales, incluidos electrones y fotones, que serán capturadas por los detectores, que a su vez generarán las señales que serán amplificadas por la electrónica, procesadas por los algoritmos informáticos, y almacenadas para el análisis final de los datos. Lo invisible se hará visible.

“Esto es casi ciencia ficción”, comenta César Castromonte, físico de la Universidad Nacional de Ingeniería de Perú y parte del equipo de Perú que comenzó a trabajar en ARAPUCA a principios de este año. “La gente está totalmente sorprendida la mayor parte del tiempo cuando hablo de neutrinos y se sorprenden de que haya ciudadanos peruanos trabajando en este tipo de cosas”.

Entre esas “cosas” del DUNE se incluye buscar una explicación de por qué existe la materia en nuestro universo, tratar de determinar si los protones se descomponen y trabajar para comprender mejor las estrellas en explosión y la formación de agujeros negros. Se trata de objetivos científicos enormes que usan el detector más grande en su tipo y los colaboradores saben que necesitan contar con las mejores soluciones tecnológicas. No mucho después de que las pruebas iniciales de ARAPUCA tuvieran éxito, el equipo comenzó a trabajar en las actualizaciones del diseño para mejorar aún más el equipo.

El nuevo X-ARAPUCA posee guías de luz adicionales dentro de la caja que permiten conducir los fotones hacia el sensor. Las pruebas mostraron que se capturaba aún más luz que antes, y los científicos decidieron incorporar 200 de los módulos recientemente diseñados en los planes para el Detector Cercano de Línea de Base Corta (Short-Baseline Near Detector, SBND) en Fermilab, otro experimento de neutrinos, y otra prueba para las tecnologías a ser utilizadas por DUNE. Machado dice que espera que las placas electrónicas, los filtros y las estructuras mecánicas se envíen a Fermilab y que se ensamblen e instalen en SBND, aproximadamente en diciembre.

Con la puesta en marcha de los detectores de pruebas de DUNE, la preparación de la caverna para los gigantescos detectores en el Laboratorio Sanford, y el reciente mejoramiento de las nuevas actualizaciones del acelerador de Fermilab, los diferentes grupos alrededor de todo el mundo están contribuyendo rápidamente con el objetivo de comenzar el experimento en el año 2026 aproximadamente. 

“Estamos muy emocionados”, dice Castromonte. “Es una oportunidad única en la vida”.