KATRIN y lo más ligero del Universo

KATRIN y lo más ligero del Universo

KATRIN está compuesto por 7 partes que trabajan juntas para medir y controlar cada proceso de descomposición del tritio; cada una se dedica a algo en particular, como lanzar un haz de luz, medir, procesar, entre otras.

Por David Salcedo

Tritium Laboratory, KIT

A 90 años de que se propuso la existencia de los neutrinos, uno de los grandes misterios es conocer su masa, ya que son partículas sumamente pequeñas y las más ligeras que se conocen hasta ahora. Por lo que investigadores de diversas partes del mundo intentan conocer esa masa a través del proyecto Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), que se encuentra en el suroeste de Alemania, en el Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

“Lo que hacemos en KATRIN es medir la masa del neutrino a través de la desintegración beta del tritio. Inyectamos un gas de este elemento y producimos electrones, iones y neutrinos”, dice Ana Paula Vizcaya Hernández, estudiante mexicana de doctorado de la Universidad Carnegie Mellon en Estados Unidos, y participante de este experimento.

Según Diana Parno, profesora asistente de la Universidad Carnegie Mellon y una de las coordinadoras del proyecto y análisis de KATRIN, cada escaneo de estas partículas lleva horas. “Los datos que recopilamos la primavera pasada (2019) y publicamos en septiembre, tardaron días en adquirirse. ¡Eventualmente el experimento durará años!”, afirma.

El proyecto KATRIN especifica en su página web que participan 20 instituciones de 6 países: Alemania, Estados Unidos, Rusia, España, Francia y República Checa; la longitud total del experimento es de 70 metros (m) y tiene un espectrómetro de 10 m de diámetro, 24 de largo y 200 toneladas de masa.

Además, KATRIN está compuesto por 7 partes que trabajan juntas para medir y controlar cada proceso de descomposición del tritio; cada una se dedica a algo en particular, como lanzar un haz de luz, medir, procesar, entre otras.

Para darnos una idea, Diana Parno explicó: “inyectan una fuente de gas tritio, la cual luego de ser disparada se descompone y produce electrones, que es lo que medimos; pero también salen muchos iones, y esos podrían producir ruido de fondo (es decir, estorban), y lo que queremos evitar es que lleguen”. 

Press Office, KIT

En términos formales la desintegración beta del tritio (que está compuesto por un núcleo con 1 protón y 2 neutrones) produce un núcleo de Helio, o He-3 (2 protones y 1 neutrón), un electrón y un antineutrino. 

“Tomamos medidas para asegurarnos de que el núcleo de He-3 (helio) no viaje hacia el espectrómetro principal. Los neutrinos se emiten en direcciones arbitrarias y atraviesan las paredes de nuestro aparato”, agrega la investigadora de la Universidad Carnegie Mellon.

En otras palabras, imagina que alguien lanza un puñado de muchos polvos de colores y que los científicos buscan medir únicamente los de un solo color, por ejemplo, el azul, pero estos son demasiado pequeños, por lo que los investigadores tienen que idearse una forma o máquina para que los otros pedazos de polvo, no les estorben.

Esa máquina es KATRIN, pues separa los otros polvitos de los cachos azules, pero esto no es fácil, porque todo está mezclado y son pedazos ínfimamente pequeños.

“No medimos directamente los neutrinos porque son muy pequeños y hasta ahora la tecnología no nos permite hacerlo directamente”, dice Ana Paula Vizcaya Hernández.

Kathrin Valerius, líder de un grupo de investigación dedicado al análisis KATRIN en KIT, explicó que solo una pequeña fracción de los 100 mil millones de electrones creados en la fuente de tritio por segundo, tiene suficiente energía para cruzar el espectrómetro y llegar al detector.

Este experimento que comenzó hace casi 20 años, anunció sus primeros resultados en septiembre de 2019, y los autores indican que la masa de neutrinos “está limitada a menos de 1.1 electronvoltios (eV), con una confianza nivel del 90%”, es decir 500 mil veces más pequeño que la masa del electrón.

Joachim Wolf, KIT

Neutrino, la partícula esquiva

La existencia del neutrino fue propuesta en 1930 por el físico austriaco Wolfgang Pauli para compensar la pérdida de energía en la desintegración beta de los neutrones. Años después, el investigador italiano Enrico Fermi llamaría a esta partícula sin carga eléctrica ‘neutrino’, que, en su lengua materna, el italiano, significa “pequeño neutral”.

Estas partículas, aunque son las más abundantes en todo el universo, tienen poca interacción con la materia y son extremadamente difíciles de detectar, de hecho, se necesitan más de 9 mil millones de kilómetros de un bloque de plomo para detener solo la mitad de los neutrinos que lo atraviesan.

Por eso cuando se propuso su existencia, las limitaciones tecnológicas de la época no permitieron comprobarlo, mucho menos caracterizarlas o definirlas.

“Desde que Pauli propuso la existencia del neutrino hasta ahora, sabemos muchas cosas sobre ellos, por ejemplo: que son las partículas elementales más abundantes del universo, que son extremadamente ligeras y solo interactúan débilmente; tienen tres sabores y un medio de espín”, dice Eduardo Peinado, físico teórico y especialista en astropartículas y neutrinos de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

Según el investigador mexicano, a pesar de los avances y desde que los estadounidenses Frederick Reines y Clyde Cowan demostraron experimentalmente en 1956 la existencia de los neutrinos, aún hay cosas que se desconocen de estas partículas.

“Los neutrinos son las partículas elementales más abundantes del cosmos. Provienen del sol, hay algunas que son remanentes de supernovas y otras provienen de los rayos cósmicos atmosféricos”, dice Eduardo Espinosa.

“Hay más de 300 neutrinos en cada centímetro cúbico del universo que quedó del Big Bang. No los vemos, no los sentimos, recibimos 65 mil millones de ellos por segundo desde el interior del sol, y apenas podemos detectarlos -agrega Kathrin Valerius-, sin embargo, están en todos lados. Entonces, dado que los neutrinos juegan un papel tan particular en el cosmos, estamos ansiosos por descubrir sus propiedades “.

KATRIN Collaboration

Conocer la masa de neutrinos, podría jugar un papel importante en el conocimiento de la evolución del cosmos y la estructura de lo que observamos en el universo, ya que conoceríamos la interacción del neutrino con la materia y cómo la afecta.

Además “no sabemos qué tan pesados ​​son; tampoco sabemos cómo obtienen su masa. A diferencia de los electrones”, explica el subdirector de la División de Ciencias Nucleares del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y colaborador del proyecto KATRIN, Alan Poon.

Según el investigador de Berkeley, la infraestructura necesaria para manejar la cantidad requerida de tritio, el trabajo de ingeniería y la búsqueda de las técnicas adecuadas para la construcción de KATRIN hicieron de este un trabajo difícil, pero desde hace dos décadas ha sido un éxito para la física.

Kathrin Valerius, quien también colaboró ​​en la construcción del espectrómetro principal hace 15 años, dice que “cuando comenzamos a construir el enorme recipiente del espectrómetro principal y a transportarlo en Alemania, la gente de la población local estaba muy interesada en seguir nuestro progreso, fue casi como una feria, incluso con gente del barrio vendiendo hot-dogs por el camino del transportador”.

“De hecho, escuché a un niño sentado sobre los hombros de su padre hacer una pregunta muy importante, él dijo: ¿Los científicos van a llenar el gran recipiente? Y el padre le dio la respuesta perfecta, dijo: ´yo creo que no van a poner nada en eso …´ Y es cierto, aunque claro que las cosas son un poquito más complicadas. Fue un día muy emocionante para mí y para todos los colegas al presenciar la llegada de este componente clave de nuestro experimento al sitio “.

Florian Fränkle

KATRIN y la nueva ventana al universo

Después de publicar los resultados, el grupo de investigación de colaboración KATRIN presentó sus mediciones en Topics in Astroparticle and Underground Physics, durante septiembre de 2019 en Toyama, Japón.

El investigador Eduardo Peinado, que asistió al evento, cree que los avances de KATRIN son importantes para comprender la masa de neutrinos y la naturaleza del universo. 

“En la década de 1970, pensamos que los neutrinos podían estar sin masas, así que lo más simple era entenderlos así, pero luego los ganadores del Nobel en 2015, Kajita y McDonald, mostraron con experimentos lo contrario. Ahora con los primeros resultados de KATRIN estamos más cerca de comprender la naturaleza de estas partículas elementales”.

Hay otros experimentos parecidos, como El Sudbury Neutrino Observatory (SNO), el Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector (KamLAND), el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), entre otros, los cuales se dedican a la observación y análisis de neutrinos.

Sin embargo, Ana Vizcaya, cree que KATRIN se distingue por el nivel tan pequeño que obtuvieron al calcular la masa, además de publicar sus resultados “relativamente poco, y le dimos el mejor límite hasta ahora con la masa de neutrinos”.

“Esto es emocionante porque, aunque ya sabemos que el neutrino tiene una masa finita, todavía no entendemos de qué manera precisamente será necesario expandir el Modelo Estándar (donde están registrados todos los datos de las partículas elementales)”, dice la investigadora Kathrin Valerius.

“Ahora con KATRIN se estableció el nuevo límite y esto es emocionante porque como científico todavía no entiendo qué hay detrás. Desde mi punto de vista, es muy fascinante descubrir la magnitud de escala absoluta de la masa del neutrino “.

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David Salcedo: Periodista egresado de la Facultad de Estudios Superiores Aragón, UNAM; comunicador de la ciencia, cultura y bioma mexicano; ha colaborado en diversos medios digitales, radiofónicos y televisivos, aunque él se describe, en general, como un enclénque.

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