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El grupo de neutrinos del CIEMAT ha ensamblado los fotosensores para un prototipo de DUNE

cern dune 

15/01/2024

CIEMAT

El personal técnico del Grupo de Neutrinos del departamento de Investigación Básica del CIEMAT ha ensamblado recientemente los fotosensores -denominados X-ARAPUCAs- que se han instalado en el módulo 1 de deriva vertical del experimento DUNE en el CERN.

El experimento DUNE, que estará operativo a final de esta década, estudiará las oscilaciones de un haz de neutrinos producidos en Fermilab (Estados Unidos) y serán detectados a mil trescientos kilómetros en el Sanford Underground Research Facility (SURF), situado a mil quinientos metros de profundidad. Además, DUNE será capaz de detectar neutrinos astrofísicos de baja energía, por lo que se van a construir grandes detectores que usan la tecnología de cámara de proyección temporal de argón líquido (LArTPCs, por sus siglas en inglés).

Cuando los neutrinos interaccionan en las LArTPCs, producen partículas cargadas cuyo paso a través del argón líquido genera dos efectos en sus átomos: su ionización, liberando electrones que son guiados por un campo eléctrico y recogidos por un ánodo consiguiendo una reconstrucción del evento con una resolución espacial de mm; y la producción de fotones de centelleo en el rango del ultravioleta, que son captados por un sistema de fotodetección que aporta información temporal precisa del evento.

El grupo de neutrinos del departamento de Investigación Básica del CIEMAT es responsable junto a otras instituciones europeas y americanas del sistema de fotodetección de DUNE. Las X-ARAPUCAs son el principal ingrediente de este sistema. Son unos dispositivos capaces de captar la luz incidente dentro de un módulo altamente reflectante, modificar su longitud de onda al rango visible y guiarla a unos fotomultiplicadores de silicio.

En DUNE se van a emplear diferentes tecnologías de LArTPC: en el primer detector, la deriva de los electrones se producirá en horizontal leyendo la carga en una red de hilos, mientras que, en el segundo de manera novedosa, la deriva se producirá en vertical y la lectura de carga se producirá en placas PCB.

Para validar esta novedosa tecnología LArTPC de deriva vertical (VD), se va a operar a principios de 2024 en el CERN el módulo 1 con los componentes finales que se instalarán en el detector de DUNE. Posteriormente, también en 2024, se van a operar los ProtoDUNEs de deriva vertical y horizontal en el CERN.

El personal técnico del CIEMAT ha ensamblado dos de las X-ARAPUCAs que se han instalado en el cátodo del Módulo 1 de deriva vertical. El diseño de las X-ARAPUCAs para el detector de deriva vertical conlleva dos principales novedades: por un lado, son de mayor tamaño (60x60 cm2) que las del detector de deriva horizontal (10x50 cm2) y por otro se van a instalar en el cátodo por lo que tanto el aporte de voltaje como la lectura de la señal se hace a través de fibras ópticas.

El ensamblaje de las X-ARAPUCAs ha consistido en el montaje de los diferentes componentes mecánicos, reflectantes, guías de luz y 160 fotosensores en cada una de ellas. Ha sido necesario desarrollar un procedimiento de instalación en colaboración con instituciones americanas que será empleado en el ensamblaje de las X-ARAPUCAs del detector de DUNE de deriva vertical donde se instalarán 672 de estos módulos. El CIEMAT será un laboratorio de referencia para el montaje de las X-ARAPUCAs y se están preparando las instalaciones para ello.

Por otro lado, se han diseñado y construido en el CIEMAT los componentes mecánicos para la instalación de las X-ARAPUCAs en las paredes del crióstato y se han instalado en ProtoDUNE-VD. Además, el CIEMAT es responsable de la parte interna del sistema de calibración de luz y lo ha diseñado e instalado en ProtoDUNE-VD.

El grupo de neutrinos también está trabajando en la determinación de la eficiencia de X-ARAPUCAs, un parámetro de gran relevancia para el análisis de los datos que se tomarán tanto en ProtoDUNE como en DUNE. Para ello ha desarrollado un montaje experimental en el CIEMAT para sumergir el X-ARAPUCA junto con detectores de referencia y una fuente alfa en LAr. Todo se enfría con nitrógeno líquido a sobrepresión.
Iván Martín Martín ensamblando la X-ARAPUCA del experimento DUNE Aritz Canto preparando los fotosensores para su instalación en la X-ARAPUCA Imagen final de una de las X-ARAPUCAs ensambladas en el CIEMAT Equipo del CIEMAT durante la instalación del sistema de calibración de luz en ProtoDUNE-VD (CERN) Sistema de calibración de luz en ProtoDUNE-VD en el CERN diseñado y fabricado en el CIEMAT Equipo del CIEMAT durante la instalación del sistema de sujección mecánica de las X-ARAPUCAs Instalación de las X-ARAPUCAs inferiores en ProtoDUNE-VD Instalación de las X-ARAPUCAs superiores en ProtoDUNE-VD en el CERN. Equipo del CIEMAT durante las medidas en criogenia de la eficiencia de fotodetección en el CIEMAT