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”.
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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 del 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.
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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 ha 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: diez kilotoneladas cada una, es decir 100.000 toneladas en total.
La distancia entre el punto de partida y el de llegada también tiene una razón de ser. Se espera que los 1.300 kilómetros que deben recorrer los neutrinos sean suficientes para que cambien de identidad o, en términos más precisos, para que oscilen. Tanto en Fermilab como en Sanford estarán instalados dos detectores cuya función será determinar cuál fue la oscilación de los neutrinos.
La diferencia, precisa Deywis Moreno, de la UAN, será que en el punto de llegada, además de argón, en las piscinas habrá unos sensores de fotones —partículas de luz— que permitirán identificar cuando un neutrino choque contra el núcleo del argón. En este punto es donde se da el primer gran aporte de las universidades colombianas y, en general, de las latinoamericanas. “Los profesores Ettore Segreto y Ana Machado, de la Universidad de Campinas (Brasil) lideran el consorcio del sistema de detección de fotones. En ese grupo, la UAN, la EIA y la U. de A. trabajan en una tarjeta electrónica que se llama Daphne”, que permitirá recolectar toda la información del momento del choque entre el neutrino y el argón, comenta Moreno.
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Fabián Andrés Castaño, doctor en Bioingeniería e investigador de la Universidad de Antioquia, explica el funcionamiento de la tarjeta: “El reto tecnológico es desarrollar sistemas que puedan procesar y adquirir la información a una gran velocidad, además de que capture la mayor cantidad de parámetros, como trayectoria e intensidad”. En otras palabras, luego de que el neutrino choque, los sensores capturarán el momento y las tarjetas reunirán esa información. Pero, como se trata de un experimento con dimensiones gigantescas, el sistema de recolección de información debe poder capturar una gran cantidad de datos. Por ejemplo, agrega Castaño, la tarjeta Daphne que están desarrollando podrá recabar y transmitir cuatro gigabytes de información por segundo, “una cantidad de información que hasta el momento pocos sistemas en la Tierra tienen la capacidad de manejar”. Para sacar adelante a Daphne, el experimento también recibe apoyo de instituciones educativas de Perú, Paraguay y, durante la etapa de diseño, trabajaron con investigadores de Fermilab. Además, Álex Marcelo Tapia, físico y profesor de la Universidad de Medellín, asegura que esperan poder entrar a participar en este sistema.
El otro frente en el que están trabajando los físicos colombianos como Arrieta, de la Universidad del Magdalena; Betancur, de la EIA; Luz Stella Gómez y Laura Gómez, de la Sergio Arboleda, y David Vanegas, de la de Medellín, entre otros investigadores de la Universidad de Antioquia y del Atlántico, es en la parte puramente teórica. Desde Medellín, Amalia Betancur explica que uno de los papeles que juegan los físicos teóricos es preguntarse qué más se puede hacer con un experimento tan grande y costoso: “Qué otros misterios del universo podemos ayudar a resolver con esto”.
Pero el momento en el que más trabajo tendrán será cuando DUNE arroje datos. Se espera que estos ayuden a entender la asimetría entre la materia y la antimateria que existe en el universo. En teoría, explican los físicos, cuando el universo se creó había la misma cantidad de materia que de antimateria y debería haber un equilibrio entre ambas. Pero, como podemos observar en la actualidad, todo lo que conocemos está hecho de materia. ¿Por qué, si la materia y la antimateria se aniquilan cuando entran en contacto, existe un exceso de materia? Esa es otra de las preguntas que trasnocha a los físicos.
“Nosotros creemos que los neutrinos pueden ser la clave para explicar esta asimetría, de tal manera que el experimento DUNE podría dar una luz a ese problema”, destaca Moreno, de la UAN. Además, agrega que “si los neutrinos interactúan de una manera con la Tierra, y los antineutrinos —que también serán utilizados en el experimento— interactúan de otra, uno podría decir que ‘esta es la razón por la que se presenta la asimetría’”.
Ayuda del Gobierno
Para ser aceptados en este consorcio que reúne a las mejores universidades y a los investigadores más destacados de la física mundial, las universidades colombianas tuvieron que demostrar experiencia y conocimiento en las áreas en las que esperan aportar. Tras ser aceptadas, dice Jaime Osorio, doctor en Física y docente del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia, “las instituciones adquieren una serie de compromisos, como tener personal disponible para ayudar a resolver los problemas que se van presentando”.
Ese personal, explica Osorio, debe ser calificado. Es decir, estudiantes de maestría o doctorado que, además, “se estarán formando en uno de los experimentos más complejos y demandantes hasta el momento”. Pero eso, según algunos cálculos que han realizado, les puede costar entre $45 y $70 millones por estudiante al año, considerando el precio de la matrícula en el programa, el nivel requerido y los gastos de manutención.
Por eso, le hace un llamado al Gobierno Nacional y al Ministerio de Ciencia y Tecnología para que apoyen financieramente a las siete universidades del país que ya hacen parte del experimento. Por su parte, Moreno, de la UAN, destaca que la participación de las instituciones educativas en DUNE es un “hito para la física colombiana”. Sin desconocer lo realizado en el pasado por otros investigadores y universidades, “es la primera vez que un gran número de instituciones están trabajando mancomunadamente en el desarrollo de un componente específico de tan altos requerimientos de talla mundial”, resalta Moreno.
En opinión de Moreno y Osorio, es otra de las razones que se debe tener en cuenta en la petición que realizan. El conocimiento y la experticia que han adquirido para llegar a un resultado como Daphne da cuenta de la capacidad que hay en Colombia para desarrollar componentes de alta tecnología. Sin embargo, lamentan ambos, el país no tiene la capacidad para ensamblar este tipo de tarjetas. Con la inversión solicitada, esperan que en un futuro próximo todo el proceso se pueda llevar a cabo acá.
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