Un Enorme Laboratorio Subterráneo Busca Explicar Los 'Fantasmas Del Universo'

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Hoy, los científicos iniciarán un enorme laboratorio subterráneo de neutrinos que, según esperan, revelará algo sobre las reglas que gobiernan el universo.

Don Lincoln es un científico principal del Fermilab del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la institución de investigación más grande del país, Gran Colisionador de Hadrones. También escribe sobre ciencia para el público, incluido su reciente "The Large Hadron Collider: La extraordinaria historia del Higgs Boson y otras cosas que harán volar tu mente"(Johns Hopkins University Press, 2014). Puedes seguirlo en Facebook. Lincoln contribuyó este artículo a WordsSideKick.com's Voces de expertos: Op-Ed & Insights.

La ciencia grande generalmente significa pensar duro y una planificación inteligente, que conduce a instalaciones de vanguardia y, con suerte, descubrimientos que cambian de paradigma. Hoy, los líderes científicos y los dignatarios invitados a dar un paso concreto para hacer realidad estos sueños: construirán un laboratorio científico que esperan revelar algo sobre las reglas que gobiernan el universo.

Esta nueva instalación, llamada Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), se ubicará en la Sanford Underground Research Facility (SURF) en lo que fue la mina de oro Homestake en Lead, Dakota del Sur.

DUNE detectará partículas subatómicas llamadas neutrinos, creadas a más de 800 millas (1,280 kilómetros) de distancia, en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi, al oeste de Chicago. (Revelación completa: soy un científico senior en Fermilab, aunque nunca he participado en la investigación de neutrinos. Sin embargo, soy un gran fanático.)

DUNE es un gran esfuerzo que involucra a más de 1,000 científicos de todo el mundo. El detector es enorme y requerirá la construcción de una caverna a 4,850 pies (1,500 metros) bajo tierra, en la mina Homestake. Para hacer esta caverna, los trabajadores necesitan excavar 800,000 toneladas (725,000 toneladas métricas) de roca, que es igual al peso de unos ocho portaaviones modernos. En el esfuerzo máximo, esta excavación creará unos 2,000 empleos en Dakota del Sur y un número similar en Illinois cerca de Fermilab. [6 Cool Underground Science Labs]

El Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), ubicado en lo que fue la mina de oro Homestake en Dakota del Sur, detectará los neutrinos creados en el Fermilab en Illinois.

El Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), ubicado en lo que fue la mina de oro Homestake en Dakota del Sur, detectará los neutrinos creados en el Fermilab en Illinois.

Crédito: Sandbox Studios

Partículas fantasmales

Los neutrinos son partículas subatómicas, pero a diferencia de los protones, neutrones y electrones, no desempeñan un papel clave en la estructura de los átomos. En su lugar, en la Tierra, se crean cuando los elementos radiactivos se descomponen, un proceso denominado desintegración beta, específicamente cuando un neutrón se desintegra en un protón. La fuerza nuclear débil es lo que causa la desintegración beta. De hecho, de las tres fuerzas subatómicas conocidas (electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles), los neutrinos sienten solo la fuerza débil. Debido a que la fuerza débil es, bueno, los neutrinos débiles interactúan muy poco con la materia.

Estas partículas fantasmales están en todas partes en el universo. Además de ser creados en radiación beta, se fabrican copiosamente en reactores nucleares. Sin embargo, si bien las centrales de energía nuclear esparcidas por todo el mundo producen neutrinos, la reacción nuclear más grande que existe es, con mucho, el sol. El sol emite tantos neutrinos por segundo que, a pesar de que la Tierra se encuentra a unos 93 millones de millas (150 millones de kilómetros) de distancia, en promedio, alrededor de 100 billones de neutrinos del sol pasan a través de usted cada segundo de su vida. Estos neutrinos no representan ningún peligro para usted en absoluto.

Para dar una idea de por qué es cierto, suponga que era una persona neutrino-fóbica y quería protegerse de esta lluvia constante desde arriba. Eso es posible, al menos en un sentido teórico. Los neutrinos interactúan débilmente con la materia. Y si quisiera protegerse de los neutrinos del sol, podría usar un grueso bloque de plomo. Y por grueso, quiero decir realmente grueso: para detener solo la mitad de los neutrinos del sol, este bloque de plomo tendría que ser lo suficientemente grueso como para llenar el espacio entre la Tierra y la segunda estrella más cercana después de nuestro sol: Alpha Centauri, que es Más de 4 años luz de distancia. Si los neutrinos pueden pasar a través de tanta ventaja, ciertamente pueden pasar a través de ustedes (e incluso de la Tierra, en realidad).

Sorpresas de neutrinos

Entonces, ¿por qué son interesantes los neutrinos? Bueno, han sorprendido a los científicos muchas veces durante el último siglo. Aunque los neutrinos se emiten en descomposición beta, interactúan tan débilmente que los científicos no pudieron detectarlos hace mucho tiempo. En consecuencia, parecía que la descomposición beta rompió las leyes de la física, ya que la energía y el impulso parecían no conservarse. (En otras palabras, la energía del núcleo atómico inicial no se pudo explicar completamente después de que se descompusiera).

En 1930, el físico Wolfgang Pauli propuso la partícula invisible, y esencialmente indetectable, como un "remedio desesperado" para explicar los problemas de la desintegración beta. (Y, como nota al margen, Pauli presentó su idea en una conferencia por medio de una carta, más bien en persona. Parece que era indispensable en una fiesta y no pudo asistir a la conferencia. Eso no es tan sorprendente: los físicos conocidos como los "divertidos" científicos.)

Hasta 1956, los científicos no detectaron los neutrinos emitidos por un reactor nuclear. Los científicos que realizaron el experimento, Frederick Reines y Clyde Cowan, consideraron intentar capturar el pulso de neutrino de una detonación nuclear antes de que decidieran usar el reactor menos dramático. [Los 18 mayores misterios sin resolver en la física]

También en 1956, un experimento diferente, realizado por Chien-Shiung Wu, usó decaimientos beta de los núcleos de cobalto para demostrar que la fuerza que gobierna a los neutrinos, es decir, la fuerza nuclear débil, tenía una característica sorprendente. Los fenómenos relacionados con la fuerza débil que se pueden observar en nuestro universo familiar eran imposibles en un universo espejo, es decir, uno en el que se cambian las direcciones, por ejemplo, la derecha y la izquierda se intercambian, las flechas hacia arriba y hacia abajo, etc.

Esta idea contrasta fuertemente con la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, en los cuales se podría hacer este intercambio de direcciones. Pero debido a que la fuerza débil no obedece a este tipo de simetría de arriba a abajo, de izquierda a derecha, si Alicia realmente atravesara el espejo, habría encontrado una realidad muy diferente a la nuestra. Finalmente, el físico ruso Lev Landau demostró que las leyes que gobiernan la materia en nuestro universo gobiernan la antimateria en el universo espejo, o que la materia y la antimateria son imágenes de espejo. Este descubrimiento que involucra a los neutrinos y la fuerza débil causó que los libros de texto fueran reescritos.

Partículas de mal comportamiento

En la década de 1960, los neutrinos tuvieron un par de sorpresas más para nosotros. En 1962, los físicos Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron que existían dos tipos de neutrinos. (Los científicos observaron un tercer tipo de neutrinos en el Fermilab en el 2000). La mayor sorpresa se produjo cuando el químico Raymond Davis intentó detectar los neutrinos del sol utilizando una cuba de fluido de limpieza en seco del tamaño de una piscina olímpica para servir como detector de neutrinos. El cloro en el fluido interactuó con los neutrinos del sol, convirtiéndose en argón radioactivo y un electrón. Al medir el argón, los científicos detectaron indirectamente los neutrinos. Como nota histórica interesante, su detector también se encontraba en la mina de oro de Homestake.

Aunque Davis observó los neutrinos solares, solo vio un tercio de los que esperaba. Si bien eso podría deberse a un error en la medición o en la predicción, la experimentación posterior demostró que su medición era correcta. La razón de la discrepancia podría haber sido que los neutrinos se estaban deteriorando en vuelo, pero resultó que esa no era la respuesta. Otra posibilidad era que los neutrinos pudieran transformarse de una variante a una de las otras dos. Esta transformación se denomina oscilación de neutrinos, ya que los neutrinos pueden transformarse de un tipo a otro y de nuevo. La oscilación de neutrinos se probó en una serie de resultados experimentales anunciados entre 1998 y 2001.

Misterios de la antimateria.

Con el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, era imperativo que los científicos comprendieran mejor el fenómeno. Este conocimiento se obtiene más fácilmente utilizando aceleradores de partículas. En Estados Unidos, Europa y Japón, los científicos generaron haces de neutrinos. Las vigas más potentes fueron construidas en Fermilab. Un experimento inicial llamado la búsqueda de oscilación de neutrinos del inyector principal (MINOS) se basó en la mina Soudan en el norte de Minnesota. Fermilab disparó haces de neutrinos a través de la Tierra al detector MINOS. (Recuerde que los neutrinos interactúan muy poco con la materia, por lo que no hay un túnel. Los neutrinos se dispararon literalmente a través de la Tierra). El experimento MINOS se realizó entre 2005 y 2016. Un experimento de seguimiento se llama NuMI Apariencia de neutrinos en el eje (NOVA). El detector distante, ubicado en Ash River, Minnesota, comenzó a operar en 2014. Fermilab también proporciona los neutrinos para este experimento.

Así que, naturalmente, Fermilab sería el laboratorio del acelerador anfitrión para disparar neutrinos a DUNE, esta vez en Dakota del Sur, no en Minnesota.

Entonces, ¿qué esperan lograr los científicos con DUNE? Bueno, caracterizará mejor las propiedades de la oscilación del neutrino, pero hay una pregunta que es particularmente intrigante. Fermilab puede producir haces de neutrinos y neutrinos de antimateria, y el experimento DUNE puede usar ambos conjuntos de haces para estudiar las propiedades de oscilación de los neutrinos de materia y de antimateria. Nuestra mejor teoría que describe el comportamiento de la materia y la energía (llamado Modelo Estándar) predice que estos dos tipos de oscilaciones son iguales. El experimento DUNE podría determinar si ese es el caso.

¿Por qué es tan tentadora la posibilidad de que los neutrinos de materia y antimateria oscilen de manera diferente? Podría abordar un problema con el modelo estándar. El Modelo Estándar dice que podemos convertir la energía en materia y viceversa. Pero cuando la energía se convierte en materia, también se debe crear una cantidad igual de antimateria. Y en el Big Bang, había mucha energía. Por lo tanto, nuestro universo debe consistir en cantidades iguales de materia y antimateria, pero está hecho únicamente de materia. No sabemos por qué.

Pero recuerde que el experimento de Wu de 1956 mostró que las leyes de la fuerza débil que gobierna la materia en nuestro universo gobiernan la antimateria en un universo espejo. Por lo tanto, esta diferencia también puede manifestarse en diferencias en la materia y en la oscilación de neutrinos de la antimateria. Si los científicos observan una asimetría en estas oscilaciones, eso podría revelar algo sobre la asimetría materia-antimateria.

DUNE también tiene otras capacidades. Por un lado, será capaz de detectar neutrinos de supernovas (explosiones de estrellas) que ocurren en la Vía Láctea y en galaxias cercanas. También puede buscar emisiones de neutrinos a partir de eventos astronómicos violentos en los que se fusionan las estrellas de neutrones, o incluso decir algo sobre las interacciones de los agujeros negros.

DUNE también buscará la descomposición de protones. El modelo estándar predice que los protones son estables y no se desintegran. Experimentalmente, sabemos que si los protones se descomponen, sus vidas medias duran más de 10 ^ 34 años.(Es decir, si se descomponen). Sin embargo, algunas nuevas teorías que amplían el Modelo estándar predicen que los protones podrían decaer en escalas de tiempo solo un poco más largas que los límites actuales. Por lo tanto, si DUNE ve la descomposición de los protones, esto nos enseñará algo muy profundo sobre el universo y lo hará a energías mucho más altas que las que se encuentran disponibles para el Gran Colisionador de Hadrones, que es el acelerador de partículas con la energía más alta del mundo.

Se espera que DUNE (y su línea de haz de neutrinos Fermilab asociada) sea el experimento insignia de los Estados Unidos durante las próximas dos décadas. Una gran colaboración de expertos probará los datos y verá si los neutrinos hacen algo inesperado. Esa es una posibilidad real, y no será la primera vez que nos sorprendan.

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