Paul Sparks
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El estudio del mundo subatómico ha revolucionado nuestra comprensión de las leyes del universo y ha proporcionado a la humanidad conocimientos sin precedentes sobre cuestiones profundas. Históricamente, estas preguntas se han planteado en el ámbito filosófico: ¿Cómo llegó a existir el universo? ¿Por qué el universo es como es? ¿Por qué hay algo en lugar de nada??
Bueno, pasemos a la filosofía, porque la ciencia ha dado un paso crucial en la construcción del equipo que nos ayudará a responder preguntas como estas. E implica disparar partículas fantasmales llamadas neutrinos literalmente a través de la Tierra a una distancia de 800 millas (casi 1300 kilómetros) de un laboratorio de física a otro..
Un grupo internacional de físicos ha anunciado que han visto las primeras señales en un detector en forma de cubo llamado ProtoDUNE. Este es un gran trampolín en el experimento DUNE, que será el programa insignia de investigación en física de partículas de Estados Unidos durante las próximas dos décadas. ProtoDUNE, que tiene el tamaño de una casa de tres pisos, es un prototipo de los detectores mucho más grandes que se utilizarán en el experimento DUNE y el anuncio de hoy (18 de septiembre) demuestra que la tecnología seleccionada funciona. [Los 18 mayores misterios sin resolver de la física]
Los detectores DUNE estarán ubicados en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a las afueras de Chicago, y en la instalación de investigación subterránea de Sanford (SURF), en Lead, Dakota del Sur. Cuando el experimento esté en marcha, un potente acelerador de partículas en Fermilab producirá un intenso haz de partículas subatómicas llamadas neutrinos, las disparará literalmente a través de la Tierra, para ser detectadas en SURF..
Los neutrinos son los fantasmas del mundo subatómico, capaces de atravesar todo el planeta casi sin interacciones. Los neutrinos han sorprendido a los científicos muchas veces en el pasado. Desde su capacidad sin precedentes para atravesar la materia sin interactuar, hasta el hecho de que tratan la materia y la antimateria de manera muy diferente, hasta su capacidad para transformarse de una versión a otra, los neutrinos continúan fascinando a la comunidad científica mundial. Son esas dos últimas propiedades las que investigará el experimento DUNE.
La antimateria es algo que suena a ciencia ficción, pero sin duda es real. La antimateria es lo opuesto a la materia; reúna materia y antimateria y se aniquilarán en energía pura. La antimateria se propuso en 1928 y se observó por primera vez en 1931. En las décadas intermedias, los científicos (incluido yo) la hemos estudiado con un detalle insoportable. En su mayoría se entiende, con un misterio restante muy irritante. Cuando convertimos energía en antimateria, producimos una cantidad idéntica de materia. Ésta es una ciencia bien establecida. Ese no es el problema.
El problema es que si combinamos esa observación con la idea del Big Bang, algo no encaja. Después de todo, poco después del Big Bang, el universo estaba lleno de energía, que debería haberse convertido en materia y antimateria por igual. Sin embargo, nuestro universo está hecho completamente de materia. Entonces, ¿a dónde se fue esa antimateria? Esta pregunta no tiene respuesta; pero quizás un estudio cuidadoso de los neutrinos de materia y antimateria podría revelar una diferencia. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Origin Events]
Como otras partículas subatómicas, los neutrinos y los neutrinos de antimateria, llamados antineutrinos, tienen una cantidad llamada espín, que tiene un parecido pasajero, aunque imperfecto, con pequeñas bolas giratorias. Los neutrinos y antineutrinos giran en direcciones opuestas. Si dispara un rayo de neutrinos para que venga hacia usted, puede mirar el eje de rotación de los neutrinos; los verías girando en el sentido de las agujas del reloj, mientras que los antineutrinos giran en la dirección opuesta. Debido a que el giro de los neutrinos y antineutrinos es el opuesto, esto identifica una diferencia entre los dos. Tal vez esa diferencia sea una señal de que el estudio de los análogos de materia y antimateria de los neutrinos arrojará algo de luz sobre este misterio..
Hay otra propiedad de los neutrinos que los hace interesantes en el enigma de la antimateria perdida ... pueden transformarse de una identidad a otra. Los científicos han encontrado tres tipos distintos de neutrinos. Un tipo está asociado con los electrones y se llama neutrinos electrónicos. Los otros dos están asociados con otras dos partículas subatómicas llamadas muón y tau, que son primos pesados del electrón..
Si comienza con un montón de neutrinos electrónicos y luego los mira un poco más tarde, encontrará que hay menos neutrinos electrónicos de los que tenía al principio, pero hay suficientes neutrinos muones y tau para compensar el déficit. Los neutrinos no se están descomponiendo; se están cambiando el uno al otro.
Es como si tuvieras una habitación llena de 100 perros y, cuando miraste más tarde, había 80 perros, 17 gatos y tres loros. Si miraras incluso más tarde, la mezcla sería diferente aún.
La transformación, lo que los científicos llaman oscilación, de los neutrinos también es una física bien establecida. Los investigadores lo han sospechado desde la década de 1960; estaban bastante seguros de que era real en 1998, y afianzaron el argumento en 2001. Se produce una oscilación de neutrinos y su descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel de Física 2015.
El experimento DUNE tiene varios objetivos de investigación, pero quizás el más urgente sea medir primero la oscilación de los neutrinos y luego la oscilación de los antineutrinos. Si son diferentes, es posible que comprender ese proceso con más detalle nos ayude a comprender por qué el universo está hecho únicamente de materia. En resumen, podría explicar por qué existimos.
El experimento DUNE constará de dos complejos de detectores, uno más pequeño en Fermilab y cuatro más grandes ubicados en SURF. Un rayo de neutrinos dejará Fermilab y se dirigirá hacia los detectores distantes. Las proporciones de diferentes tipos de neutrinos se medirán en los detectores tanto en Fermilab como en SURF. Se medirán las diferencias causadas por la oscilación de los neutrinos y luego se repetirá el proceso para los antineutrinos..
La tecnología que se utilizará en los experimentos de DUNE involucra grandes cubas de argón líquido, en las que los neutrinos interactuarán y serán detectados. Cada uno de los detectores más grandes ubicados en SURF será tan alto y ancho como un edificio de cuatro pisos y más largo que un campo de fútbol. Cada uno contendrá 17.000 toneladas de argón líquido.
El detector ProtoDUNE es un prototipo mucho más pequeño, que consta de solo 800 toneladas de argón líquido. El volumen es lo suficientemente grande como para abarcar una casa pequeña. La colaboración de los científicos de DUNE es mundial y atrae a investigadores de todo el mundo. Si bien Fermilab es el laboratorio anfitrión, también participan otros laboratorios internacionales. Una de esas instalaciones es el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, ubicado en las afueras de Ginebra, Suiza. El detector ProtoDUNE está ubicado en el CERN, lo que consolida aún más una larga relación entre los laboratorios; por ejemplo, Fermilab ha estado involucrado durante mucho tiempo en investigaciones utilizando datos registrados por el CERN Large Hadron Collider. DUNE es la primera inversión del CERN en un experimento que se realiza en un laboratorio de Estados Unidos..
El anuncio de hoy es importante y demuestra que la tecnología de argón líquido que formará el corazón del experimento DUNE fue una buena elección. Un segundo detector ProtoDUNE estará en línea en unos meses. La segunda versión utiliza una tecnología ligeramente diferente para observar las huellas de partículas causadas por interacciones raras de neutrinos. Los resultados de las pruebas de estos dos detectores guiarán a los científicos a tomar una decisión sobre el diseño final de los componentes del detector. DUNE se construirá durante la próxima década y los primeros módulos detectores están programados para estar operativos en 2026.
Don Lincoln es investigador de física en Fermilab. Es el autor de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de videos de educación científica.. Síguelo en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son su.
Don Lincoln contribuyó con este artículo a Expert Voices: Op-Ed & Insights.