«Hemos conseguido obtener imágenes casi fotográficas de la interacción de neutrinos»

 Francisco Javier Nicolás trabajando en el despacho. Imagen cedida.

Francisco Javier Nicolás Arnaldos es doctorando en la Universidad de Granada (UGR) e investiga, junto con su grupo de física de partículas, la manera de detectar neutrinos. Terminó el grado de Física y se especializó en física de partículas y astrofísica. Ahora colabora en un proyecto del Fermilab de Chicago para descubrir cuál es la naturaleza de estas partículas tan escurridizas. Francisco Javier Nicolás Arnaldos explica los últimos avances en este área, como el uso de la tecnología de argón líquido y cuál es su aportación como científico.

¿Cuál es el objetivo del Fermilab?

El Fermilab es un laboratorio de física de partículas compuesto de muchos experimentos que pretenden estudiar las propiedades y características del mundo de las partículas subatómicas. Muchos de estos experimentos son detectores que se dedican a estudiar los neutrinos, unas partículas casi indetectables. En el Fermilab hay muchas instituciones y universidades colaborando con grupos de investigadores, y cada grupo de trabajo se encarga de estudiar una parte en concreto de su detector, o de hacer tal estudio, o tal calibrado. 

¿De qué se encarga su grupo exactamente?

El experimento en el que estamos se llama Short-Baseline Neutrino (SBN) y tiene básicamente dos detectores: el detector cercano que se llama Short Baseline Neutrino Detector (SBND) y que está justo enfrente de donde se producen los neutrinos y uno lejano (a unos 600 metros aproximadamente) que se llama ICARUS. La idea es que disparamos neutrinos de un tipo (sabor muónico), los detectamos en el cercano y luego en el lejano. Comparando estas detecciones podemos estudiar las oscilaciones de neutrinos.

¿Qué son las oscilaciones de neutrinos y por qué los detectores están justo a esa distancia?

El sabor de los neutrinos oscila con la distancia. El gráfico muestra la probabilidad de que el neutrino muónico (rojo) producido en el Fermilab oscile al tauónico (azul), al electrónico (verde) o al hipotético neutrino estéril (gris). Imagen de la revista Physics de la American Physical Society (APS).

Las oscilaciones son una propiedad de los neutrinos que consiste en que pueden cambiar de un tipo (sabor) a otro dependiendo de la distancia que recorren y la energía que tienen. Los detectores del SBN están a una distancia concreta por una buena razón. Hay sospechas, por estudios y experimentos anteriores, de la existencia de un cuarto tipo de neutrino: el neutrino estéril. Este se llama así porque no interacciona con nada de lo que conocemos del Modelo Estándar. Entonces, lo que hacemos en el experimento es lanzar neutrinos muónicos una y otra vez para contarlos con los detectores y hacer un análisis estadístico. Ponte, por ejemplo, que en el detector cercano contamos que han interaccionado 100 muónicos, y en el lejano contamos 70 muónicos y 15 electrónicos. Entonces hemos “perdido” 15 neutrinos que puede que hayan oscilado a este sabor estéril que no podemos detectar porque no interacciona. Así es como podemos caracterizar las oscilaciones de neutrinos y podemos detectar nuevos tipos.

«Hay sospechas, por estudios y experimentos anteriores, de la existencia de un cuarto tipo de neutrino: el neutrino estéril»

¿El experimento SBN se construyó específicamente para detectar este posible neutrino?

Sí, es uno de sus objetivos fundamentales. Otro de sus objetivos es ser un “calentamiento” para DUNE porque usa exactamente la misma tecnología para detectar neutrinos: cámaras de proyección temporal de argón líquido. De hecho, es por esa razón por la que mi grupo de trabajo también está metido en el DUNE.

Espera, ¿qué es DUNE y en qué consiste esta tecnología?

El Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) es otro experimento de Fermilab que está en fase de construcción. Es parecido al SBN, pero a una escala mucho mayor porque el detector lejano se encuentra a 1300 kilómetros. Así que todo lo que hacemos en el SBN va a servir para mejorar el DUNE.

Reconstrucción de la traza y cascada electromagnética correspondiente a la detección de un neutrino en el MicroBooNE mediante tecnología de argón líquido . Imagen de la web de Fermilab.

La tecnología de argón líquido se empezó a proponer en los años 80 pero es ahora cuando su uso para hacer mediciones físicas se ha hecho realidad. Como los neutrinos son de alguna manera invisibles (porque no podemos detectarlos directamente), lo que hacemos es detectar sus productos cuando interaccionan con el argón. Además, esta interacción puede ser de muy distintas formas: puede ser que el neutrino interactúe con los electrones del argón, con un nucleón (protón o neutrón) del argón o incluso con el átomo de argón en su conjunto. Si por ejemplo lo hace con el electrón, el átomo de argón se ioniza y los electrones se mueven hacia un plano de hilos bajo la influencia de un campo eléctrico, por lo que detectamos una corriente en cada hilo. Viendo en qué hilos se ha generado esa corriente, podemos reconstruir la interacción del neutrino. Es decir, que con esta tecnología hemos conseguido obtener imágenes casi fotográficas de la interacción de neutrinos. De hecho, con el MicroBooNE, que es otro detector con esta tecnología, ya se han recogido imágenes increíbles.

«Con esta tecnología hemos conseguido obtener imágenes casi fotográficas de la interacción de neutrinos»

De acuerdo, ¿y cuál es su papel en los experimentos?

En el caso de que el neutrino interactúe con el electrón, también puede ocurrir que el electrón sea reabsorbido por el átomo y entonces emita muchísima luz de centelleo. Los fotones de esta luz ultravioleta los detectamos con sensores ópticos colocados alrededor de la cámara y pueden ayudar a reconstruir la traza de la interacción del neutrino. Ahí es donde entra mi papel. Yo me encargo de sacarle el máximo partido a la información que te puede dar esta luz de centelleo.

Todavía no ha podido ir al Fermilab. Además, aunque vaya, todos esos experimentos ocurren dentro de máquinas donde nunca podrá ver qué ocurre exactamente. ¿No le parece raro?

De momento no. Porque aún no está en funcionamiento. Ahora mismo estamos trabajando con simulaciones y, como podemos ver el código, pues no hay ningún misterio. Pero la verdad es que si lo piensas sí que es un poco raro, pero es muy común en física de partículas.

¿Para cuándo estará el SBN en funcionamiento?

En un año aproximadamente comienza la primera etapa: se enciende, se hacen los primeros tests, se calibra… Es decir, ver que todo funciona bien. Porque una vez que cierras las cámaras y echas el Argón es muy difícil volver abrirlo. Se perdería un montón de dinero.

Entonces, ¿Cuándo comienza a funcionar para aportarnos datos?

Es que es más bien un continuo. Una vez tienes el detector lleno y ves que todo funciona, tampoco te lanzas de golpe a medir neutrinos para el análisis de oscilaciones. Es algo muy progresivo: una vez que funciona todo, empiezas a comparar datos reales con las simulaciones y ver que todo cuadra. A continuación,  se llevan a cabo medidas de propiedades/partículas que ya conocemos muy bien para asegurarnos de que todo pinta bien y, quizás, a partir del primer año (por decirte una escala de tiempo, pero esto nunca se sabe muy bien), será posible decir decir que el detector está «listo» para hacer física.

Estos aparatos cuestan millones. ¿Cómo convencería a la gente fuera de la comunidad científica para que pague sus impuestos para fabricar estos detectores? Porque no son una autopista, un aeropuerto o una vacuna sino algo muchísimo más caro que sirve para detectar, si tienes suerte y en 5 o 10 años, un neutrino estéril. ¿Cómo lo justifica?

Te puedo intentar convencer de dos formas: por el lado romántico de la ciencia y por el práctico. El primero se refiere a que si perdemos nuestras inquietudes por conocer cómo funciona el universo y sus leyes más fundamentales, llegaría un momento en el que nos estancaríamos como sociedad y no avanzaríamos. En general, aunque no tengas la seguridad de que el experimento vaya a ser un éxito, el simple motivo de intentar averiguar una nueva propiedad del universo ya es razón suficiente para ponerse manos a la obra e intentar construir lo necesario para descubrirlo. Por el lado práctico, te pongo un ejemplo más de moda. Las redes neuronales que se están usando para cualquier cosa hoy en día, desde industria hasta filtros de Instagram, también se usan en física de partículas. Entonces, todos los avances que se consiguen al desarrollar e investigar en redes neuronales para aplicarlas al campo de física de neutrinos también sirven para funciones más prácticas y cotidianas. También ocurre con toda la tecnología que se ha desarrollado para conseguir toneladas y toneladas de argón líquido puro a temperaturas bajísimas, que en algún momento puede tener su aplicación cotidiana. Esto pasa con un sinfín de técnicas y herramientas que se necesitan para poner en marcha experimentos como estos.

«Toda la tecnología que se ha desarrollado para obtener toneladas y toneladas de argón líquido puro a temperaturas bajísimas en algún momento puede tener su aplicación cotidiana»

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