Paraguay aportará al mayor experimento de neutrinos de la historia

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Por Dr. Jorge Molina*

El 21 de julio pasado comenzó la construcción del detector de neutrinos más grande del mundo, llamado DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment o Experimento Subterráneo Profundo de Neutrinos), y que estará localizado a 1.500 m de profundidad en una mina abandonada en Dakota del Sur, EE. UU.

Este mega experimento de escala mundial va a complementar la búsqueda de una nueva física llevada a cabo en el CERN y en otros laboratorios para responder las grandes interrogantes de la ciencia contemporánea sobre el origen del universo, la materia oscura, el decaimiento del protón, la asimetría entre materia y antimateria, cómo se crean los agujeros negros, entre otros.

En este experimento, los investigadores enviarán un haz de neutrinos desde el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), situado en el estado de Illinois, hasta el laboratorio de Sanford en Dakota del Sur, donde estarán localizados cuatro detectores de neutrinos que en total albergarán 70 mil toneladas de argón líquido, como se indica en la figura.

Esquema del mayor experimento de neutrinos en la actualidad y cuya construcción comenzó recientemente. (Dunescience.org)

El reto tecnológico que implica un experimento de esta magnitud no es nada despreciable, ya que se necesitará crear un sistema de detección que utilice la tecnología de lAr TPC (Cámara de proyección temporal de argón líquido) a una escala sin precedentes.

Además del reto de trabajar con los detectores a muy bajas temperaturas —el argón es un gas que condensa al estado líquido cuando se enfría a temperaturas menores a -186 ºC—, también están los de cómo analizar los fotones creados en su interior y cómo transferir el volumen de datos a ser creados, entre otros.

Esta nueva tecnología será puesta a prueba primeramente en el experimento Proto DUNE, que es un prototipo de 450 toneladas del detector a ser utilizado en DUNE pero a una escala menor, que se está instalando en este momento en los laboratorios del CERN, y que comenzará a tomar datos en agosto de 2018.

Paraguay en el proyecto

La realización del experimento requerirá de una inversión de más de USD $2.020 millones de dólares y el trabajo de más de 1.000 científicos de más de 33 países y 160 instituciones.

Paraguay fue aceptado recientemente en una reunión realizada en Sao Paulo. La oficialización del ingreso se hará en la reunión general de colaboración en agosto de este año. Inicialmente la Universidad Nacional de Asunción (UNA) formará parte del consorcio encargado de diseñar, testear y construir el sistema de detección de fotones que serán generados en el argón líquido.

Ya estamos trabajando conjuntamente con la UNICAMP de Campinas, Brasil, en la lectura de los detectores fotomultiplicadores de silicio (SiPM) para integrarlas al sistema de adquisición de datos.

Este reto tecnológico traerá muchos beneficios al país, ya que investigadores paraguayos formarán parte de un proyecto internacional donde se necesitará crear la tecnología necesaria para realizar los experimentos que van a arrojar los resultados sobre temas de punta de la ciencia mundial.

Los científicos y estudiantes que participen en el emprendimiento podrán entrenarse en los centros mundiales de creación de tecnología, hecho que los preparará para encarar cualquier problema de interés nacional que se pueda presentar en el futuro. A todo este proceso se le denomina de transferencia tecnológica, que apunta a que toda la sociedad sea beneficiada, no solo la comunidad académica y científica.

¿Por qué neutrinos?

Desde su descubrimiento hace más de 61 años, los neutrinos han demostrado ser las partículas elementales más sorprendentes de la naturaleza. Paradójicamente, son las menos entendidas. Todavía conocemos muy poco sobre ellas, aunque su estudio ya haya dado cuatro premios Nobel.

Sabemos por ejemplo que se generan del decaimiento radioactivo de elementos, y de reacciones nucleares. Como no tienen carga eléctrica, no se ven afectadas por la fuerza electromagnética, contrariamente a los electrones, protones y demás partículas cargadas que sí están afectadas. Solo interactúan a través de la fuerza nuclear débil y de la fuerza de gravedad, la cual es muy débil debido a su muy baja masa.

Se calcula que, solo del Sol, recibimos un flujo equivalente a 10 mil millones de neutrinos por cm2 por segundo que atraviesan la Tierra casi sin interactuar con la materia. También sabemos que la mayoría de los neutrinos que en el universo fueron originados hace unos 15 mil millones de años, después del Big Bang.

Aparte de estos remanentes de la Gran Explosión, también se crean neutrinos constantemente tanto en el Sol como en las centrales nucleares, aceleradores de partículas, durante fenómenos atmosféricos, o también en el nacimiento y la muerte de estrellas, así como en explosiones de supernovas.

Durante décadas, los físicos pensaron que los neutrinos encajaban perfectamente dentro del modelo padrón o estándar de partículas, pero resultó que no es así. En 1962 se descubrió que existen más de un tipo (o “sabor”) de neutrinos, identificados recién a finales del siglo XX y que pasaron a llamarse neutrino muónico, neutrino electrónico o neutrino tauónico, dependiendo de la partícula de origen.

Sin embargo, lo más extraño del caso es que descubrieron que los neutrinos pueden cambiar de sabor a través de un proceso llamado de oscilación de neutrinos. Esto implica que un neutrino muónico puede convertirse en un neutrino electrónico para volver de nuevo a ser un neutrino muónico, en una danza cíclica de identidades.

El modelo estándar de la física de partículas predice que la oscilación de los neutrinos es igual a la oscilación de los antineutrinos (antimateria del neutrino), hecho que el experimento DUNE tratará de comprobar experimentalmente. Si ambos procesos no son similares, entonces habrá una revolución en la física, ya que se podrá descubrir por primera vez una interacción de partículas que no esté bien descrita por el modelo.

Por esta razón es que entender las propiedades de los neutrinos promete una nueva física que vaya más allá del modelo estándar.

Además de este hecho sin precedentes, existen otras interrogantes que DUNE podrá responder. Por ejemplo, si los neutrinos son sus propias antipartículas, si existen más de tres sabores de neutrinos, si el mecanismo de obtención de las masas de los neutrinos es el mismo que el de las otras partículas elementales, la naturaleza de la materia oscura, el posible decaimiento del protón, entre otras.

Cualquier respuesta a cualquiera de estos temas podría conducir a la nueva física más allá del modelo estándar, o en su defecto, seguir demostrando que este modelo explica de manera satisfactoria la teoría de la física de partículas.

El Dr. Jorge Molina es físico de partículas elementales y Docente Investigador con Dedicación Completa (Didcom) de la Universidad Nacional de Asunción (UNA).

 

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