Siete universidades colombianas ayudarán en experimento para cazar partícula fantasma
A pesar de ser los más abundantes y antiguos, los neutrinos son una de las partículas sobre las que menos información tenemos. Debido a que no suelen interactuar con casi nada, también los han apodado partículas tímidas o fantasmas. El Experimento Subterr
En este mismo instante en el que lee este artículo, usted y todos los seres humanos —y la Tierra en general— estamos siendo atravesados por billones de neutrinos. Algo que sucede, como dice Diego Alejandro Restrepo, doctor en Física de la Universidad de Valencia y profesor en el Instituto de Física de la Universidad de Antioquia, porque son una de las partículas más abundantes de la naturaleza. “Los neutrinos tienen una abundancia similar a la de los fotones —las partículas de la luz—, que son diez billones de veces más abundantes que cualquier otra partícula”.
Además, estamos siendo atravesados por los neutrinos constantemente, porque existen desde hace 13.000 millones de años. Deywis Moreno López, doctor en Física de Partículas de la Universidad Johannes Gutenberg, de Alemania, y director del grupo de física experimental de altas energías de la Universidad Antonio Nariño (UAN), explica que existen “desde casi el mismo big bang, lo que las hace unas de las partículas más antiguas del universo”.
Paradójicamente, a pesar de la antigüedad y abundancia de los neutrinos, son partículas sobre las que se conocen muy pocas características, lo que se explica porque, en parte, son muy “tímidas”. Esa timidez, en términos técnicos, quiere decir que interactúan muy poco con otras partículas o elementos. “A pesar de que segundo a segundo somos atravesados por billones de neutrinos, se estima que a lo largo de la vida de una persona, tan solo dos interactúan con el cuerpo”, apunta Restrepo. Por esta razón, la comunidad física del mundo las ha bautizado partículas fantasmas.
El primero en hablar de los neutrinos fue el italiano Enrico Fermi, uno de los físicos más influyentes del siglo XX, galardonado en 1938 con el Premio Nobel en esta ciencia. Lo hizo al retomar el trabajo de su colega austríaco Wolfgang Pauli, pero otorgándole este nombre a la partícula, ya que, según calculaba el físico italiano, no poseía masa ni carga. Unas décadas más tarde, a mediados de siglo, un experimento logró detectar esas partículas de las que hablaba Fermi. Así fue como se incluyó a los neutrinos en el modelo estándar de la física de partículas, la teoría más precisa desarrollada hasta el momento sobre el comportamiento y el tipo de partículas.
Sin embargo, a finales de milenio, mediante dos experimentos independientes se logró comprobar lo contrario: que el neutrino sí tenía masa, refutando lo planteado por Fermi y poniendo a tambalear el modelo estándar. Los responsables de tan importante hallazgo fueron los científicos del detector Super-Kamiokande en Japón y del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) de Canadá, quienes descubrieron una de las características más particulares de los neutrinos que, a su vez, demostraba el error del físico italiano: su oscilación.
¿Qué significa esto? Para aclararlo, Óscar Alberto Zapata, del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia, explica que, hasta el momento, se conocen tres tipos de neutrinos: electrónico, muónico y tauónico. “Cuando salen del Sol —una de las principales fuentes de estas partículas— son neutrinos electrónicos, pero cuando llegan a la Tierra son tauónicos o muónicos. En la propagación cambian de identidad”. Amalia Betancur, doctora en Física y profesora de la Universidad EIA de Medellín, explica esta oscilación con animales: “Es como si tuvieras un gato, una pantera y un tigre. Y el gato se vuelve pantera y luego tigre”. Este cambio en la “identidad” de estas partículas es lo que se conoce como oscilación y, aunque ya fue identificada, los científicos aún no logran explicar por qué ocurre.
Tampoco logran determinar la masa de los neutrinos, a pesar de que el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald, del Super-Kamiokande y SNO, respectivamente, ganaron el Premio Nobel de Física en 2015 por demostrar que sí la tenían.
Capturando y explicando las partículas fantasmas
Estas dos dudas: entender por qué hay oscilación y cuál es la masa de los neutrinos, han trasnochado a los físicos de todo el mundo. Y de hecho, por más de veinte años, se realizado experimentos que buscan capturar estas partículas: desde el proyecto IceCube en la Antártica, pasando por el fondo del mar Mediterráneo, hasta detectores instalados en cercanías de reactores nucleares en Japón y China.
Sin embargo, es en el Laboratorio
Nacional Fermi (Fermilab), nombrado así en honor del físico italiano, ubicado a cincuenta kilómetros de Chicago (Estados Unidos), donde se desarrollan los experimentos más complejos y esperanzadores al respecto. Uno de ellos, el Experimento Subterráneo de Neutrinos (DUNE por sus siglas en inglés), cuenta con una nutrida participación colombiana, ya que hay siete universidades involucradas: la Antonio Nariño y Sergio Arboleda, de Bogotá; la de Antioquia, la de Medellín y la Universidad Escuela de Ingeniería de Antioquia (EIA), y la del Magdalena y el Atlántico, del Caribe.
Aunque se contempla que el experimento como tal entre en funcionamiento en 2027, el trabajo para los más de mil científicos de 180 universidades en treinta países del mundo asociados a DUNE ya empezó. La complejidad del experimento y su costo (que se calcula en más de US$1.000 millones), obligan a que la tecnología necesaria para llevarlo a cabo sea probada y calibrada antes de iniciar labores.
Diego Restrepo, de la Universidad de Antioquia, explica que todo empezará en Fermilab, dado que allí tienen una amplia experiencia en la aceleración de protones: una manera mediante la cual los humanos ya hemos logrado generar neutrinos. Betancur, de la EIA, comenta que tras acelerar los protones casi a la velocidad de la luz, se hacen chocar contra un blanco de grafito, lo cual generará un rayo de neutrinos. Estos neutrinos atravesarán la corteza terrestre por 1.300 kilómetros —distancia similar a la que hay entre Barranquilla y Quito— para que sean recibidos por gigantescas piscinas de argón líquido, instaladas a mil metros bajo tierra en el Sanford Underground Research Facility, en Dakota del Sur. Es decir, viajarán de Chicago a Dakota del Sur a una velocidad máxima.
Como son partículas tan “tímidas”, pequeñas y livianas, los científicos han acudido a la recursividad para atraparlas. Una de las estrategias más recientes ha sido la utilización de argón en estado líquido, ya que “tiene varias propiedades interesantes, como un núcleo grande que aumenta las probabilidades de que los neutrinos choquen contra estos”, agrega Betancur. Para incrementar aún más la probabilidad de una interacción entre estas partículas y el núcleo del argón, las cuatro piscinas alojadas en el subsuelo de Dakota del Sur tendrán una capacidad colosal: