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Academia Ciencia Sociedad

Un experimento gigante para la partícula más pequeña

06/01/2022
Por: Carlos Olimpo Restrepo S.- Periodista

Con la participación de más de 1000 científicos de 30 países, se avanza en Estados Unidos en el Experimento de Neutrinos del Subsuelo Profundo —Dune—, que comenzará a operar en 2027. La Universidad de Antioquia hace parte de uno de sus componentes.
 

Uno de los dos enormes bancos de pruebas para el experimento de neutrinos subterráneos profundos alojados en el centro de física de altas energías Laboratorio Nacional Fermi —Fermilab—. Foto: Fermilab

Si a usted le parece pequeño un milímetro, imagínese un átomo. En un milímetro pueden caber hasta diez millones de átomos de hidrógeno, aunque el tamaño de estos varía según la energía del electrón y del momento cinético —para caracterizar el estado de rotación de los cuerpos— en que se haga la medición. Ahora, divida uno de esos átomos en una milmillonésima y encontrará el tamaño de un neutrino.

Nota (6/01/2022): Este contenido fue publicado originalmente en marzo del 2021 y hace parte de los hechos universitarios reportados en nuestro periódico Alma Mater. #VuelveAleer y recuerda con nosotros los procesos que hacen parte de la labor investigativa, social y académica de nuestra Universidad.

Estas partículas subatómicas, que tienen la capacidad de atravesar la materia sin afectarla —como la luz en un cristal—, han despertado tanto el interés de la ciencia que más de 1000 investigadores de 30 países participan, desde 2015, en el Experimento de Neutrinos del Subsuelo Profundo —Deep Underground Neutrino Experiment (Dune)—, un megaproyecto para investigarlos, con un presupuesto inicial superior a los 1000 millones de dólares.

Entre los científicos se encuentran los profesores de la Universidad de Antioquia Jaime Alberto Osorio Vélez, Diego Alejandro Restrepo Quintero, Jorge Hernán López y Fabián Castaño, quienes hacen parte del equipo latinoamericano, integrado además por académicos de Brasil, Chile, México, Paraguay y Perú.

La idea es crear e impulsar los neutrinos desde un laboratorio —Fermi— en Batavia, Illinois, Estados Unidos, y detectarlos cuando lleguen a una instalación similar —Sanford— en Lead, Dakota del Sur, otra ciudad del país norteamericano, tras un recorrido de 1300 kilómetros. Algo así como ir de Medellín a Leticia, a través de la tierra y sin paradas, a una velocidad aproximada al 99,9 % de la velocidad de la luz, aproximadamente a 299.338 kilómetros por segundo.

En el laboratorio Fermi se usará un acelerador de protones ya existente para crear los neutrinos, que serán disparados hacia un muro de un material muy denso —para garantizarque no pasen por ahí otras partículas—; luego se hará un primer análisis de los neutrinos en un detector y se enviarán al segundo detector del experimento, en Sanford, que se está construyendo a 1500 metros de profundidad, donde se analizarán de nuevo, para ver los cambios que tuvieron al viajar, de manera subterránea, 1300 kilómetros.

«Se hace a gran profundidad para evitar que al detector en Sanford lleguen otro tipo de partículas provenientes del Sol y rayos cósmicos, que se absorben casi todas entre la atmósfera y las primeras capas de la Tierra, para que a esas estructuras subterráneas solo lleguen neutrinos, tanto los creados en Fermilab como los que vienen del Sol o de otra fuente», explicó Jaime Alberto Osorio.

El profesor de Física de la Alma Máter agregó que «la idea con el laboratorio de Sanford es que allá solo lleguen neutrinos y que, con la ayuda del detector, los científicos que están ahí puedan establecer cuáles vienen de Fermilab, o del Sol o de las estrellas».

«Los neutrinos se consideran una partícula fundamental, tan importante como las demás, tan abundante como las demás y que deben tener alguna utilidad como, en principio, la tienen otras partículas», indicó el doctor en Física Diego Alejandro Restrepo Quintero.

«Para poder sacarle provecho, primero hay que entenderla, realizar un proceso en el cual se caracterizan todas sus propiedades, como detectar la masa de cada neutrino y la forma como se entremezclan entre ellos, establecer la diferencia entre los neutrinos y los antineutrinos, entre la materia y la antimateria. Con este experimento se va a medir esta última característica y por el camino se van a entender mucho mejor otras seis características que ya se han medido», añadió este investigador.

Anotó que gracias a estas partículas se tiene hoy una mejor comprensión de la estrella de la Tierra: «Se ha deducido gracias a la información de los neutrinos, porque nos traen datos la información directa de lo que pasa en el centro del Sol. Si tenemos este detector del experimento Dune en operación cuando explote una supernova en nuestra galaxia, podríamos entender mucho mejor cómo funcionan estas estrellas».

Por ahora no está claro qué más se puede obtener de este estudio, que empezará a operar en 2027, pues en la actualidad está en fases de diseño, desarrollo y construcción de diferentes componentes de los detectores de neutrinos y de los laboratorios.

«Esto es como cuando estaban estudiando la radiación. En ese entonces casi nadie tenía claro qué eran esas partículas o para qué servían, solo se sabía que eran diferentes a la luz y que pasaban a través de la materia, entonces decidieron llamarla radiación X. Un día descubrieron que se podía usar en medicina y otras áreas, y hoy no nos imaginamos un hospital sin rayos X», aseguró Osorio Vélez. «Solo podremos saber para qué sirve algo cuando sabemos qué es, cómo funciona, cómo se produce, cómo se transmite, cómo se detecta. Cuando aprendamos todo eso de los neutrinos, alguien, algún día, descubrirá para qué sirven». 

Al respecto, el profesor Restrepo Quintero agregó que «en el laboratorio Fermilab ya se hizo el experimento de enviar información mediante neutrinos. Se envió un par de bits —un 0 y un 1— que se reconstruyeron con un montón de problemas, porque fue la primera vez que se hizo. Estamos a años luz de poder enviar comunicaciones electromagnéticas por el agua entre submarinos, pero esto puede llevar a eso. La importancia no es tanto el fin, sino el camino».

 

La UdeA y el Dune

Ensayos tan complejos y costosos no son fáciles de desarrollar por un solo país, de ahí que los centros de educación superior y de investigación del mundo encuentren en ellos oportunidades estratégicas.

«A desarrollos como el Dune y los que se adelantan en el Cern —Centro Europeo para la Investigación Nuclear— tenemos la capacidad de ofrecerles nuestra ayuda. Es una relación simbiótica en la que nosotros entregamos algunas cosas y recibimos a cambio una serie de beneficios», aseguró Diego Alejandro Restrepo.

Por ejemplo, el consorcio de universidades latinoamericanas que planean participar en Dune debe reunir en conjunto un presupuesto de medio millón de dólares para invertir en desarrollo de la investigación local y como aporte al esfuerzo global que implica.

De manera oficial, la Universidad de Antioquia aún no está allí, pero los profesores Osorio y Restrepo trabajan para llevar a la Alma Máter a hacer parte del Dune. «En este momento estamos asociados como grupo de investigación, están el Grupo de Partículas Fundamentales y el Grupo de Instrumentación Científica y Microelectrónica —ambos de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales—», señaló Osorio. 

El experimento está dividido en 11 consorcios, cada uno con una estructura definida. Los grupos de la Alma Máter están en el latinoamericano, que trabaja en la elaboración de unas tarjetas que deben conectarse a los detectores que se encuentran en cuatro tanques, cada uno con una dimensión de 15 metros de largo, 12 de ancho y 9 de alto, llenos de argón líquido que se mantiene estable a temperaturas de -200 grados Celsius.

Los objetivos de este equipo en el que están docentes y estudiantes de la UdeA son diseñar y crear unas tarjetas de adquisición de datos que permitan tomar la información que sale de los tanques de argón, para enviarla a otro consorcio, explicó Jaime Alberto Osorio.

«Se trata de hacer unas tarjetas muy importantes, de muy alto desempeño, cada una con la tarea de leer 40 detectores simultáneamente, procesarla, definir si lo que llegó a esa tarjeta es una señal o un ruido y si se establece que es una señal, la tarjeta la limpia, la amplifica y la organiza para enviarla por una fibra óptica», añadió. En total, se elaborarán 150 que estarán sincronizadas mediante un reloj externo para garantizar una óptima medición. 

En la actualidad, existe el primer diseño y se están construyendo las 10 primeras tarjetas —prototipos— que serán distribuidas en marzo en todos los grupos de investigación para su revisión, recomendaciones y ajustes, de manera que al final de año haya una nueva versión.

El sueño de los investigadores es que, en los próximos años, las tarjetas definitivas se ensamblen en el país, en reconocimiento a la capacidad científica y tecnológica que nace en el Campus universitario.

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