LiquidO: A Novel Neutrino Detection Technology

LiquidO es un proyecto de I+D para el desarrollo de una nueva tecnología de detección de neutrinos que utiliza líquido centelleador opaco (LS), como la leche, con una longitud de dispersión muy corta y una longitud de absorción intermedia. Esto es contrario al enfoque tradicional que utiliza volúmenes LS transparentes, con longitudes de dispersión de hasta decenas de metros, como detectores de neutrinos rodeados de sensores sensibles que recogen la luz. La reducción de la longitud de dispersión a la escala de milímetros hace que la luz se limite a unos pocos centímetros de volumen cerca de su punto de creación. Para extraer la luz, una red de fibras que cambian de longitud de onda pasa por el centelleador. 

Estas figuras presentan el principio de detección de LiquidO usando la configuración más simple, donde todas las fibras corren a lo largo del eje z. Las deposiciones de energía en el espacio tridimensional de un positrón simulado (e+) con 1 MeV de energía cinética se muestran en la figura (b), mientras que la figura (a) muestra la proyección bidimensional x-y. Una simulación de la propagación de la luz se muestra en las figuras (c) y (d), donde el color de cada punto representa el número de fotones que golpean una fibra. En (c) se simula un centelleador opaco y en (d) el centelleador es transparente. La formación de la bola de luz alrededor de la posición de cada electrón Compton se puede ver claramente para el centelleador opaco, mientras que ese patrón se borra casi por completo en el caso transparente. Se requeriría un detector finamente segmentado para medir esta topología utilizando un centelleador transparente. Por el contrario, la técnica LiquidO se autosegmenta efectivamente debido al confinamiento de luz. 

La técnica LiquidO proporciona imágenes de alta resolución que permiten una identificación altamente eficiente de partículas individuales evento por evento. Además, la explotación de un medio opaco le da a LiquidO una capacidad para usar dopantes a niveles sin precedentes.

Esta nueva tecnología representa un gran avance con respecto a la detección tradicional de neutrinos con centelleador líquido, esencial para futuros experimentos de física de neutrinos que requieran detectores de kton-masa y alta carga de isótopos, como experimentos de desintegración doble beta sin neutrinos.

Se construyó y probó un pequeño prototipo llamado "micro-LiquidO" con un haz de electrones monocromáticos de 1 MeV, validando los principios básicos detrás del nuevo paradigma. Un prototipo más grande de ~10 litros de volumen actualmente está tomando datos con el mismo haz; ya ha demostrado su capacidad para rastrear muones y su capacidad calorimétrica.

LiquidO es una colaboración internacional que incluye institutos de investigación y universidades de Francia, Reino Unido, Alemania, Estados Unidos y Japón. El CIEMAT participa en este esfuerzo de I+D desde 2017, contribuyendo con el programa de prototipado y con el desarrollo de pequeños bancos de pruebas para probar el acoplamiento fibra-SiPM. Recientemente, el grupo, junto con IJCLab (Francia), U. Mainz (Alemania), U. Sussex (Reino Unido) y EDF (Francia), ha sido galardonado con una subvención del European Innovation Council (EIC-Pathfinder) para la aplicación de este nueva tecnología a la industria nuclear para abrir la posibilidad de monitorear directamente las reacciones nucleares dentro de los núcleos de las centrales nucleares.