Un nuevo hito en la investigación de frontera en el campo de la física de partículas se concreta con la incorporación al proyecto Search for Hidden Particles, SHiP, de dos investigadores de nuestro Centro de Investigación en Física Nuclear y Espectroscopía de Neutrones, CEFNEN. SHiP es uno de los experimentos en fase de diseño dentro del complejo que la Organización Europea para la Investigación Nuclear (conocida como CERN) ha levantado en Francia y Suiza y que incluye al Gran Colisionador de Hadrones (LHC en inglés). SHiP tiene como meta comenzar sus experimentos en 2033 y explorará el sector oculto de la física de partículas, en la búsqueda de partículas exóticas con interacciones extremadamente débiles, observables más allá del Modelo Estándar.

La incorporación de los investigadores Dr. Francisco Molina y Dr. Jaime Romero del CEFNEN como parte de la colaboración del SHiP, se ha hecho oficial en enero de 2025 y fortalece, con este hito, los vínculos de la CCHEN con el CERN y la comunidad científica internacional. Este acercamiento ha sido posible gracias al apoyo del Instituto Milenio SAPHIR, una de las 40 organizaciones de 18 países que constituye la red de colaboración del proyecto SHiP, que ahora suma a la CCHEN como uno de los institutos chilenos presentes.

El Dr. Francisco Molina y el Dr. Jaime Romero forman parte del Instituto Milenio SAPHIR, donde el Dr. Molina es Investigador Asociado desde enero de 2023 y el Dr. Romero se incorporó como Investigador en mayo de 2024. A través de sus colaboraciones con el CERN en experimentos como ATLAS, SND y NA64, el Instituto Milenio SAPHIR ha facilitado la integración de investigadores chilenos en proyectos de física de partículas de vanguardia. En este contexto y gracias a su calidad de investigadores del instituto, se concretó su incorporación a la colaboración SHiP, permitiendo que su experiencia en física de neutrones y simulaciones Monte Carlo contribuya al diseño y optimización del experimento.

El proyecto SHiP

SHiP es un proyecto emblemático del CERN para las próximas décadas, diseñado para explorar el sector oculto de la física de partículas. Buscará partículas exóticas o “hipotéticas”, que deben ser encontradas más allá del Modelo Estándar y que pueden incluir neutrinos tau, posibles candidatos a materia oscura y otras partículas.

La instalación para el experimento estará ubicada en el Super Proton Synchrotron (SPS), un acelerador de partículas circular de casi 7 kilómetros de largo que forma parte del complejo de 11 instalaciones de investigación nuclear del CERN. SHiP se realizará en una instalación lineal y medirá alrededor de 120 metros. El experimento contará con dos detectores principales:

– Scattering and Neutrino Detector (SND): Diseñado para el estudio de neutrinos tau con alta precisión, permitiendo analizar su producción e         interacción con un nivel de detalle sin precedentes gracias al alto flujo de neutrinos generado en SHiP.

– Hidden Sector Decay Spectrometer (HSDS): Enfocado en la detección y estudio de partículas del Hidden Sector, como fotones oscuros,                  mediadores de materia oscura y otras partículas exóticas de vida media larga, que podrían proporcionar evidencia de una física más allá del          Modelo Estándar.

La CCHEN en SHiP

La contribución del CEFNEN se centra en la simulación y caracterización de los espectros de neutrones generados en el experimento, un aspecto clave para optimizar la detección de partículas y evaluar el impacto de la radiación en la instrumentación.

Las principales actividades a desarrollar incluyen:

– Simulación Monte Carlo del entorno de radiación en SHiP mediante los códigos Monte Carlo FLUKA y Geant4, caracterizando la distribución       espectral y espacial del flujo de neutrones.

– Evaluación del impacto de neutrones en la instrumentación del experimento, asegurando que su interferencia con los detectores sea                       minimizada.

– Optimización de los sistemas de detección mediante estrategias de mitigación de radiación.

Gracias a la experiencia del CEFNEN en cálculos y medidas de flujo de neutrones, esta colaboración posiciona a la CCHEN como un referente global en estudios de neutrones en entornos de alta energía.

Como parte de esta contribución y aprontes para el proyecto, CEFNEN participará en una investigación de tesis de magíster que se centrará en la simulación de los espectros de neutrones utilizando FLUKA, con el objetivo de caracterizar la distribución y energía de los neutrones generados en la interacción del haz de protones con el blanco del experimento. Esto permitirá evaluar el impacto de la radiación en los detectores y optimizar estrategias de blindaje. La investigación será realizada por Francisco Aguilar, uno de los estudiantes de posgrado del CEFNEN, bajo la dirección del Dr. Gonzalo Avaria, Académico de la Universidad Técnica Federico Santa María y la codirección del Dr. Jaime Romero de la CCHEN.