The SHiP/NA67 experiment at the ECN3 high-intensity beam facility at the CERN SPS

Este artículo describe la motivación física, el diseño experimental y la sensibilidad esperada del experimento SHiP/NA67, una instalación de vertedero de haz de alta intensidad en el CERN aprobada en 2024 para buscar partículas de interacción débil y estudiar la fenomenología de los neutrinos durante un periodo operativo de 15 años.

Lo esencial

Imagina que el universo es una ciudad gigante y bulliciosa. Durante décadas, los científicos han estado buscando nuevos residentes (nuevas partículas) construyendo autopistas masivas de alta velocidad (como el Gran Colisionador de Hadrones) para estrellar coches entre sí a velocidades increíbles. Esperan que, si golpean las cosas con la suficiente fuerza, aparezcan nuevos residentes pesados.

Pero hay un problema: algunos residentes son tan tímidos y débiles que no aparecen en estos choques de alta velocidad, incluso si existen. Son los "interactores débiles": partículas que son ligeras pero que apenas interactúan con nada más. Para encontrarlos, no necesitas un martillo más grande; necesitas una multitud masiva.

Este artículo presenta SHiP (Búsqueda de Partículas Ocultas), un nuevo experimento aprobado en 2024 para ser construido en el CERN en Suiza. Piensa en SHiP no como un mazo, sino como una red gigante lanzada en un río de partículas.

La Configuración: Una Fábrica de Partículas

El experimento utiliza un potente haz de protones (el "río") y lo estrella contra un bloque grueso de tungsteno (la "red").

• El Objetivo: Este choque crea una lluvia masiva de partículas pesadas, algunas de las cuales podrían desintegrarse en las partículas "tímidas" y ocultas que estamos buscando.
• El Volumen: Durante 15 años, planean disparar suficientes protones para crear 600 billones de billones (6×10²⁰) de impactos. Esta es una cantidad de datos sin precedentes.

El Desafío: El Probleo del "Ruido"

Cuando estrellas protones contra un objetivo, obtienes mucho "ruido". El mayor perturbador es una inundación de muones (un tipo de partícula) y neutrinos. Es como intentar escuchar un susurro en un estadio lleno de fanáticos gritando.

• La Solución: SHiP utiliza un gigante escudo magnético (como un campo de fuerza) para desviar los muones que gritan lejos.
• La Sala de "Ruido Cero": Detrás del escudo, hay un túnel largo y vacío (el volumen de desintegración). El experimento está diseñado para que, si cualquier partícula entra en esta sala que no debería estar allí, los sensores la marquen instantáneamente. Esto crea un entorno de "ruido cero" donde incluso la desintegración de una sola partícula oculta sería una señal clara e innegable.

Los Dos Trabajos Principales del Experimento

1. El "Cazador de Fantasmas" (Encontrando Partículas Ocultas)
El experimento busca partículas que se producen en el choque, atraviesan el escudo y luego se desintegran (se rompen) dentro del túelo largo.

• Qué cazan: Leptones Neutros Pesados (HNL), Fotones Oscuros, Escalares Oscuros y partículas de tipo axión.
• La Analogía: Imagina a un agente secreto (la partícula oculta) colándose por un control de seguridad. Son invisibles para los guardias, pero una vez que llegan a una habitación segura (el túnel), se quitan el disfraz y se revelan. Las cámaras de SHiP son tan sensibles que pueden detectar ese disfraz al quitarse.
• Por qué importa: Estas partículas podrían explicar por qué el universo tiene más materia que antimateria, qué es la materia oscura y por qué los neutrinos tienen masa.

2. El "Observatorio de Neutrinos" (Estudiando a los Fantasmas)
Aunque el objetivo principal es encontrar nuevas partículas, el choque también produce una enorme inundación de neutrinos (partículas fantasmales que atraviesan todo).

• La Captura Especial: SHiP atrapará alrededor de 1,000 neutrinos tau por año. Este es un número enorme comparado con experimentos anteriores.
• La Analogía: Los experimentos previos eran como intentar estudiar un ave rara avistándola una vez por década. SHiP será como una torre de observación de aves que ve miles de estas aves raras cada año.
• El Objetivo: Esto permite a los científicos estudiar cómo estos neutrinos interactúan con la materia de formas nunca antes vistas, específicamente observando cómo se comportan cuando se convierten en partículas "tau".

La Línea de Tiempo y el Futuro

• Estado Actual: El proyecto está en la fase de "Diseño Técnico" (finalizando los planos).
• Construcción: La instalación se está construyendo ahora.
• Lanzamiento: Esperan comenzar a disparar el haz en 2033.
• Victorias Tempranas: Incluso antes de que la carrera completa de 15 años termine, los datos recolectados en los primeros años probablemente establecerán los mejores límites del mundo sobre dónde no están estas partículas ocultas, estrechando efectivamente la búsqueda para el resto de la comunidad científica.

En Resumen

El experimento SHiP es un cambio de estrategia. En lugar de intentar estrellar cosas con más fuerza para encontrar nueva física pesada, intenta observar un volumen masivo de datos para encontrar las partículas ligeras y tímidas que han estado escondidas a plena vista. Combina un "escudo desviador de muones", un "túnel silencioso" y "cámaras super sensibles" para escuchar los tenues susurros de los secretos ocultos del universo.

Resumen técnico

Resumen Técnico del Experimento SHiP/NA67

Problema y Motivación
El Modelo Estándar (ME) sigue siendo consistente con los datos actuales, pero no logra explicar varias observaciones establecidas, incluyendo el origen y la pequeñez de las masas de los neutrinos, la asimetría bariónica del Universo y la naturaleza de la materia oscura. Estas lagunas sugieren la existencia de Física Más Allá del Modelo Estándar (BSM, por sus siglas en inglés). Mientras que las instalaciones de la frontera de alta energía (p. ej., HL-LHC, FCC) buscan estados nuevos pesados, muchos candidatos potenciales de BSM pueden estar demasiado débilmente acoplados para ser producidos directamente en las máquinas existentes. Estas "partículas de interacción débil" (FIPs), como los leptones neutros pesados (HNLs), fotones oscuros, escalares oscuros, partículas de tipo axión (ALPs) y materia oscura ligera, interactúan con el ME con intensidades demasiado bajas para una detección tradicional, pero poseen masas en el rango de O(100 MeV) a pocos GeV. El artículo argumenta que las búsquedas de alta intensidad, donde las altas tasas de producción compensan las pequeñas fuerzas de acoplamiento, son la estrategia necesaria para explorar este espacio de parámetros.

Metodología y Concepto Experimental
El experimento SHiP/NA67 está diseñado como un experimento de vertedero de haz (beam dump) de propósito general y alta intensidad, ubicado en el salón ECN3 del Super-Proton-Synchrotron (SPS) del CERN, utilizando la nueva Instalación de Vertedero de Haz (BDF). La metodología se basa en tres componentes principales para detectar las FIPs:

1. Producción de Alta Intensidad: Un haz de protones de 400 GeV/c se dirige hacia un blanco de tungsteno para maximizar la producción de hadrones de sabor pesado (encanto y belleza), que sirven como fuentes para las FIPs. El experimento tiene como objetivo acumular $6 \times 10^{20}$ protones sobre el blanco (PoT) durante aproximadamente 15 años.
2. Supresión de Fondo: El principal desafío es el intenso flujo de muones y neutrinos que emergen del vertedero. Para lograr condiciones de "fondo cero", el experimento emplea un escudo de muones activo magnetizado para desviar los muones residuales en seis órdenes de magnitud.
3. Decaimiento y Detección: Un volumen de decaimiento largo e instrumentado permite que las FIPs decaigan en partículas visibles del ME. El experimento utiliza un sistema de detección multicapa para reconstruir estos decaimientos raros mientras suprime los fondos a niveles insignificantes.

Subsistemas del Detector
La configuración experimental incluye varios subsistemas especializados:

• Blanco y Escudo de Muones: Un blanco de tungsteno con enfriamiento activo y un absorbedor de hadrones magnetizado. Un escudo de muones magnético activo reduce el flujo de muones en seis órdenes de magnitud.
• Detector de Dispersión y Neutrinos (SND@SHiP): Ubicado aguas abajo del blanco, este sistema utiliza un blanco de silicio-tungsteno y un calorímetro de seguimiento magnetizado de hierro-centelleador. Está diseñado para identificar interacciones de neutrinos de todos los sabores, apuntando específicamente a $\mathcal{O}(10^4)$ interacciones de $\nu_\tau$ por año. Busca medir las funciones de estructura $F_4$ y $F_5$ (accesibles solo mediante neutrinos tau), estudiar las funciones de distribución de partones en bajo $x$ y medir el contenido de quarks extraños en el nucleón. También permite la detección de la dispersión de materia oscura ligera sobre electrones.
• Etiquetadores de Fondo (Background Taggers): Para asegurar un entorno de fondo cero, el experimento utiliza un Etiquetador de Fondo Aguas Arriba (UBT) con rastreadores de paja (straw trackers) y teselas centelleadoras, y un Etiquetador de Fondo Circundante (SBT). El SBT rodea el volumen de decaimiento lleno de helio con aproximadamente 780 celdas que contienen ~145,000 L de centelleador líquido, leídas mediante módulos ópticos de desplazamiento de longitud de onda. Este sistema logra una eficiencia >99% y una resolución de tiempo sub-1 ns para etiquetar muones residuales e interacciones de neutrinos en las paredes del recipiente.
• Espectrómetro de Decaimiento de Sector Oculto: Este sistema reconstruye los productos de decaimiento visibles dentro del volumen de decaimiento evacuado o lleno de helio. Consta de:
  • Un espectrómetro de rastreo de paja (cuatro estaciones) acoplado a un gran imán dipolo (0.6–0.8 T m), que proporciona una resolución espacial de 120 $\mu$m.
  • Un detector de tiempo utilizando barras centelleadoras con una resolución $\le$ 50 ps para suprimir el fondo combinatorio.
  • Un sistema de calorimetría (concepto SplitCal) con secciones electromagnéticas y hadrónicas, que incluye capas dedicadas de alta precisión para medir las direcciones de las cascadas electromagnéticas e identificar estados finales neutros (p. ej., $X \to \gamma\gamma$).

Contribuciones Clave y Resultados Esperados
El artículo describe la sensibilidad esperada de SHiP a través de un amplio rango de modelos de FIP.

• Sensibilidad a FIP: Para masas en el rango de O(100 MeV) a pocos GeV, se proyecta que SHiP proporcione una sensibilidad líder mundial o de récord para acoplamientos muy por encima del alcance de los experimentos existentes y propuestos. Se dirige a HNLs, fotones oscuros, escalares oscuros, ALPs, materia oscura ligera elástica e inelástica, y partículas con carga milimétrica (millicharged particles).
• Física de Neutrinos: El experimento producirá un intenso flujo de neutrinos, notablemente $\mathcal{O}(10^3)$ $\nu_\tau$ por año. Esto permitirá la primera determinación de las funciones de estructura $F_4$ y $F_5$ y proporcionará muestras de alta estadística para estudiar las interacciones de neutrinos en todos los sabores.
• Cronograma: La colaboración se encuentra actualmente en la fase del Informe de Diseño Técnico (TDR), con resultados esperados dentro de dos años. La BDF está en construcción, con la puesta en marcha del haz prevista para 2033. El artículo señala que los datos recolectados antes de la subsiguiente parada larga ya permitirán a SHiP establecer límites líderes mundiales en gran parte de su espacio de parámetros.

Significancia
El artículo afirma que la frontera de la energía no ha revelado hasta ahora nueva física más allá del ME, lo que motiva fuertemente una exploración complementaria de la frontera de la intensidad. SHiP/NA67 se presenta como una instalación con sensibilidad líder mundial para explorar directamente la frontera de las partículas de interacción débil y estudiar las interacciones de neutrinos de todos los sabores. Al operar en un régimen esencialmente libre de fondo, el experimento pretende resolver preguntas fundamentales relacionadas con las masas de los neutrinos, la materia oscura y la asimetría bariónica que han escapado a la detección por métodos previos. El experimento está aprobado para 2024 y está programado para comenzar la toma de datos en 2033 en el SPS del CERN.