Comisión Nacional de Energía Atómica

Laboratorio Detección de Partículas y Radiación

Desarrollo de detectores de posición de muy bajo ruido de lectura para detección de partículas

La detección de materia oscura constituye uno de los desafíos más importantes de la física contemporánea. Por el momento, el candidato más fuerte a materia oscura es el WIMP, partícula masiva de interacción débil, propuesta por modelos teóricos. La detección de WIMPs puede ser posible a través de diferentes canales de interacción, pero en todos ellos es necesario aislarse, en un laboratorio subterráneo, del flujo de partículas a nivel de suelo producido por los rayos cósmicos. La futura construcción del laboratorio subterráneo ANDES en el túnel de Agua Negra, en la cordillera de los Andes, permitirá la ubicación de experimentos de búsqueda de materia oscura de segunda y tercera generación (un experimento pionero se realizó en la mina de hierro Sierra Grande en Argentina en los '90) en el hemisferio Sur. ANDES dará una oportunidad única para verificar la modulación de la tasa de eventos en el detector, producida por el movimiento propio de la Tierra en el halo galáctico de materia oscura. En este sentido, el Laboratorio Detección de Partículas y Radiación ha comenzado a trabajar en experimentos de materia oscura.


Cámara fría de vacío conteniendo un CCD operado en el laboratorio (arriba) y porción de imagen con trazas de partículas observadas (abajo).

Desde su invención, los dispositivos de acoplamiento de carga o Charge Coupled Devices (CCD) se han usado intensamente en la detección de radiación dentro del espectro visible y cercano al infrarrojo, tanto en electrónica de consumo como en observaciones astronómicas. El desarrollo de CCDs de más de 200 micrones de espesor y diez veces más masivos que los CCDs convencionales, ha abierto un nuevo campo de aplicación para estos dispositivos dentro de la física de partículas y en particular para la detección de WIMPs, haciendo posible su uso en la detección directa de partículas de masa por debajo de 50 GeV, fundamental en experimentos de materia oscura. Si bien estos sistemas de detección permiten medir energías depositadas muy bajas y observar directamente la traza de la interacción, es necesario operar el CCD a temperaturas de -150ºC, conocer la composición isotópica de los diversos componentes del detector y, sobre todo, contar con una electrónica de lectura de muy bajo ruido para poder aprovecharlos.

En el laboratorio DPR se trabaja en el desarrollo de un detector de partículas a base de CCDs en colaboración con el grupo de Fermilab responsable por el proyecto DAMIC. Se pusó en operación un CCD en una cámara de vacío enfriada por nitrógeno. El control de temperatura se maneja por un dispositivo arduino desarrollado en el laboratorio. La toma de datos se opera usando un sistema LEACH.

Se usará este detector para mediciones de calibración en el haz del acelerador TANDEM del CAB, y como prototipo de un experimento de búsqueda de materia oscura en el hemisferio sur, intentando en particular observar una modulación diaria esperada en algunos modelos como los del sector oscuro (self-interacting dark matter).

Experimento DAMIC

El laboratorio participa del experimento DAMIC (Dark Matter in CCD), buscando materia oscura con CCD en el laboratorio subterráneo Snolab, en Canada. Una descripción detallada del experimento se puede encontrar en la publicación siguiente: The DAMIC dark matter experiment (arXiv:1510.02126). El proyecto está midiendo desde el 2012 y ha estado operando en varias etapas. Se encuentra en la actualidad en la fase DAMIC100, donde se apunta a operar un detector de 100g de silicio en el laboratorio Snolab.

Experimento CONNIE

Los CCDs, debido a su muy bajo umbral de detección, son detectores ideales para encontrar interacciones a muy baja energía. Se propusó por lo tanto usar un detector muy similar al de DAMIC pero ubicándolo en la cercanía de un reactor nuclear para observar la interacción coherente neutrino núcleo, algo predicho por el modelo estandar pero nunca observado a la fecha. El proyecto CONNIE (Coherent Neutrino Nucleus Interaction Experiment) apunta a observar esa interacción por primera vez en uno de los reactores de la planta nuclear Angra dos Reis en Brasil. El laboratorio DPR participa del proyecto desde 2014. En el 2015 se instalaron los primeros detectores en la central, los cuales fueron mejorados en el 2016. La publicación The CONNIE experiment (arXiv:1608.01565) contiene más información sobre el proyecto.

Detección de neutrones

Durante la escuela escuela de técnicas neutrónicas aplicadas (ETNA), se usó el dispositivo del laboratorio para varias prácticas. Los estudiantes resumieron su trabajo en dos posters:

Laboratorio Detección de Partículas y Radiación, Centro Atómico Bariloche, Av. Bustillo 9500, San Carlos de Bariloche (8400), Río Negro, Argentina