Nuevo Detector De Mesa Identifica Electrones Individuales

El nuevo detector detecta electrones individuales

Una interpretación tridimensional del “evento cero”. La frecuencia aumenta lentamente a medida que el electrón pierde energía, terminando en el primero de seis o posiblemente siete saltos de frecuencia visibles antes de que el electrón sea expulsado de la trampa.

Un nuevo detector de partículas de mesa es capaz de identificar electrones individuales en un gas radiactivo, un gran paso hacia la medición de la masa de un neutrino.

A medida que el gas se descompone y emite electrones, el detector usa un imán para atraparlos en una botella magnética. Luego, una antena de radio capta señales muy débiles emitidas por los electrones, que pueden usarse para mapear la actividad precisa de los electrones durante varios milisegundos.

El equipo trabajó con investigadores del Pacific Northwest National Laboratory, el Universidad de Washington , la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), y en otros lugares para registrar la actividad de más de 100.000 electrones individuales en el gas kriptón.

La mayoría de los electrones observados se comportaron con un patrón característico: a medida que el gas de criptón radiactivo se desintegra, emite electrones que vibran a una frecuencia de referencia antes de desaparecer; esta frecuencia vuelve a subir cada vez que un electrón golpea un átomo de gas radiactivo. Cuando un electrón hace ping-pong contra múltiples átomos en el detector, su energía parece saltar en un patrón escalonado.

“Literalmente podemos obtener imágenes de la frecuencia del electrón, y vemos que este electrón aparece repentinamente en nuestra antena de radio”, dice Joe Formaggio, profesor asociado de física en MIT . “Con el tiempo, la frecuencia cambia y, de hecho, aumenta. Entonces, estos electrones chirrían en ondas de radio “.

Formaggio dice que los resultados del grupo, publicados en Physical Review Letters, son un gran paso hacia un objetivo más difícil de alcanzar: medir la masa de un neutrino.

Una partícula fantasmal

Los neutrinos se encuentran entre las partículas elementales más misteriosas del universo: miles de millones de ellos pasan a través de cada célula de nuestro cuerpo cada segundo y, sin embargo, estas partículas fantasmales son increíblemente difíciles de detectar, ya que no parecen interactuar con la materia ordinaria. Los científicos han establecido límites teóricos sobre la masa de neutrinos, pero los investigadores aún tienen que detectarlos con precisión.

“Tenemos [la masa] acorralada, pero aún no la hemos medido”, dice Formaggio. “El nombre del juego es medir la energía de un electrón; esa es tu firma que te informa sobre el neutrino”.

Como lo explica Formaggio, cuando un átomo radiactivo como el tritio se desintegra, se convierte en un isótopo de helio y, en el proceso, también libera un electrón y un neutrino. La energía de todas las partículas liberadas se suma a la energía original del neutrón original. La medición de la energía del electrón, por lo tanto, puede iluminar la energía – y en consecuencia, la masa – del neutrino.

Los científicos están de acuerdo en que el tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno, es clave para obtener una medición precisa: como gas, el tritio se desintegra a tal velocidad que los científicos pueden observar con relativa facilidad sus subproductos electrónicos.

Investigadores en Karlsruhe, Alemania, esperan medir electrones en tritio usando un espectrómetro masivo como parte de un experimento llamado KATRIN (Experimento Karlsruhe Tritium Neutrino). Los electrones, producidos por la desintegración del tritio, pasan por el espectrómetro, que los filtra según sus diferentes niveles de energía. El experimento, que acaba de comenzar, puede obtener mediciones de electrones individuales, pero con un costo.

“En KATRIN, los electrones se detectan en un detector de silicio, lo que significa que los electrones chocan contra el cristal y suceden muchas cosas al azar, esencialmente destruyendo los electrones”, dice Daniel Furse, un estudiante graduado en física y co autor en el papel. “Todavía queremos medir la energía de los electrones, pero lo hacemos de forma no destructiva”.

La configuración del grupo tiene una ventaja adicional: el tamaño. Básicamente, el detector cabe sobre una mesa y el espacio en el que se detectan los electrones es más pequeño que un sello postal. Por el contrario, el espectrómetro de KATRIN, cuando se entregó a Karlsruhe, apenas cabía por las calles de la ciudad.

Sintonizando

El detector de Furse y Formaggio, un experimento llamado “Proyecto 8”, se basa en un fenómeno de décadas conocido como radiación ciclotrónica, en el que partículas cargadas como electrones emiten ondas de radio en un campo magnético. Resulta que los electrones emiten esta radiación a una frecuencia similar a la de las radiocomunicaciones militares.

“Es la misma frecuencia que usa el ejército: 26 gigahercios”, dice Formaggio. “Y resulta que la frecuencia de la línea de base cambia muy levemente si el electrón tiene energía. Entonces dijimos, ‘¿Por qué no mirar la radiación que [los electrones] emiten directamente?’ ”

Formaggio y el ex postdoctorado Benjamin Monreal, ahora profesor asistente de física en UCSB, razonaron que si podían sintonizar esta frecuencia de referencia, podrían atrapar electrones cuando salieran disparados de un gas radiactivo en descomposición y medir su energía en un campo magnético.

“Si pudiera medir la frecuencia de esta señal de radio, podría medir la energía potencialmente con mucha más precisión que con cualquier otro método”, dice Furse. “El problema es que estás viendo esta señal realmente débil en un período de tiempo muy corto, y es difícil de ver, por lo que nadie lo ha hecho antes”.

Pasaron cinco años de arranques y arranques antes de que el grupo finalmente pudiera construir un detector preciso. Una vez que los investigadores encendieron el detector, pudieron registrar electrones individuales dentro de los primeros 100 milisegundos del experimento, aunque el análisis tomó un poco más de tiempo.

“Nuestro software era tan lento para procesar las cosas que podíamos decir que estaban sucediendo cosas divertidas porque, de repente, el tamaño de nuestro archivo se hizo más grande, ya que estas cosas comenzaron a aparecer”, recuerda Formaggio.

Él dice que la precisión de las mediciones obtenidas hasta ahora en gas kriptón ha alentado al equipo a pasar al tritio, un objetivo que Formaggio dice que puede alcanzarse en los próximos años o dos, y allanar el camino hacia la medición de la masa del neutrino.

Steven Elliott, miembro del personal técnico del Laboratorio Nacional de Los Alamos, dice que el nuevo detector del grupo “representa un resultado muy significativo”. Para usar el detector para medir la masa de un neutrino, agrega Elliott, el grupo tendrá que hacer múltiples mejoras, incluido el desarrollo de una celda más grande para contener una mayor cantidad de tritio.

“Este fue el primer paso, aunque muy importante, en el camino hacia la construcción de un experimento de próxima generación”, dice Elliott, quien no contribuyó a la investigación. “Como resultado, la comunidad de neutrinos está muy impresionada con el concepto y la ejecución de este experimento”.

Esta investigación fue financiada en parte por el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias.

Publicación : D. M. Asner et al. (Colaboración del Proyecto 8), “Detección y espectroscopía de un solo electrón a través de radiación ciclotrónica relativista”, Phys. Rev. Lett. 114, 162501 – Publicado el 20 de abril de 2015; doi: 10.1103 / PhysRevLett.114.162501

Copia en PDF del estudio : Detección de un solo electrón y espectroscopia mediante radiación ciclotrónica relativista

Imagen: Cortesía de los investigadores.

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