PRR Project

Summary

A observação das oscilações de neutrinos é um dos sinais mais convincentes de Física para além do Modelo Padrão. Apesar disso, muitas perguntas subsistem: a ordem das massas (OM) dos neutrinos é normal (m1<m2<m3) ou invertida (m3<m1<m2)? Existe violação da simetria carga-paridade (CP) no sector dos leptões? As respostas a estas questões, juntamente com a natureza Dirac/Majorana dos neutrinos, poderão apontar o caminho para o mecanismo físico subjacente à massa dos neutrinos e para a explicação da assimetria observada entre matéria e antimatéria no Universo, através do mecanismo de leptogénese. As estratégias da Europa e dos EUA para a Física de Partículas  identificaram estas questões e as experiências a elas dedicadas como atividades essenciais e de elevada prioridade. A experiência Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) irá detetar a longa distância feixes de neutrinos e antineutrinos com um largo espectro de energia, permitindo a observação simultânea de efeitos de OM e violação de CP nas oscilações de neutrinos. Os objetivos gerais deste projeto são os de proporcionar a DUNE os sistemas e métodos capazes de fornecer medições de calibração dos detetores (longínquos), necessárias para um desempenho competitivo. Aproveitando a experiência variada dos membros do grupo, o nosso plano de longo-prazo é o de liderar ou contribuir fortemente em todos os níveis deste esforço, começando no desenho e construção de equipamento mecânico e eletrónico, desenvolvimento de software operacional, tomada e análise de dados de calibração, e finalmente usando a informação da calibração para melhorar os modelos de desempenho do detetor usados nas análises de oscilação de neutrinos. A curto e médio-prazo, no contexto do presente projeto, o foco geral é nos protótipos de DUNE em fase de preparação no CERN, estando o grupo envolvido tanto em atividades de construção e operação de equipamentos de calibração como de análise de dados. Os detetores de DUNE são baseados na tecnologia de câmaras de projeção em tempo com árgon líquido, que permitem uma excelente calorimetria e medição de traços de interações de neutrinos. O grupo do LIP foi um dos proponentes da utilização em DUNE de um sistema de calibração baseado na ionização do árgon líquido com feixes de laser intensos, em colaboração com o grupo do Los Alamos National Laboratory (EUA). A escala de DUNE (20x maior que outros detetores) implica novos desafios e levou a inovações propostas pelo nosso grupo – automatização do controlo e interface rápida com a aquisição de dados, graus de liberdade adicional no movimento dos feixes –, que irão ser testadas com os dois protótipos de DUNE no CERN, ProtoDUNE de deriva horizontal (PD-HD) e de deriva vertical (PD-VD). O detetor PD-HD está atualmente quase cheio com 700 ton de árgon líquido e prevê-se que tome dados durante todo o Verão de 2024, passando depois o árgon para PD-VD. O início da instalação no laboratório subterrâneo de Sanford dos detetores longínquos está previsto para 2027. Tomando em conta esta calendarização, os objetivos específicos do projeto (e correspondentes tarefas) são os seguintes: Completar a instalação e operação do sistema de calibração por ionização com laser (IoLS) no PD-HD e no PD-VD no CERN; Analisar os dados coletados nos detetores ProtoDUNE com os sistemas laser, mas também com fontes radioativas de Bi-207 já instaladas; Construir o primeiro periscópio do sistema de calibração laser para DUNE e realizar testes de alinhamento ótico de precisão no LIP, tornando possível a produção e testes futuros de todos os periscópios para DUNE Simular a resposta dos detetores longínquos com incertezas sistemáticas realistas e possíveis correções derivadas de calibrações, e calcular o impacto desses efeitos na sensibilidade da análise de oscilações de neutrinos. Este projeto junta uma forte contribuição de desenvolvimento de instrumentação com um conjunto sólido de objectivos de análise de dados. O desenvolvimento de instrumentação para a calibração de detectores de líquidos nobres representa uma contribuição substancial da colaboração portuguesa em ProtoDUNE e, a mais longo prazo, na experiência DUNE. Esta contribuição ao nível de instrumentação é complementada com um plano extenso de análise dos dados de calibração (para caracterizar o detector) e para testar algoritmos que permitam projectar a informação obtida das calibrações de forma a otimizar a sensibilidade da experiência DUNE. Beneficiando da experiência dos vários membros do grupo, este projeto apresenta um plano robusto para aumentar substancialmente a sensibilidade da experiência DUNE.