Visita a KATRIN, el experimento para medir la masa del neutrino

Karlsruhe Palace

Karlsruhe Palace

Este post podría titularse “Road Trip: Karlsruhe, Alemania”, sin embargo sería extraño clasificarlo como road trip porque hace casi tres meses que Karlsruhe es mi lugar de trabajo, aunque sigue la línea de los posts anteriores en los que intento compartir mi visita a lugares de relevancia para la física. Hace un tiempo conté la historia de la masa del neutrino y cómo esta elusiva y fascinante partícula tuvo a los físicos de cabeza viviendo una crisis en la década de los 90. Recomiendo leer aquel post para una mejor apreciación del presente artículo: La masa del neutrino: una crisis y el futuro.

Hoy tuve una experiencia espectacular: conocí a KATRIN, el moderno y gigantesco experimento en construcción para medir la masa del neutrino. El nombre significa Karlsruhe Tritium Neutrino experiment. Este experimento se encuentra en el campus norte del Karlsruhe Institute of Technology (mi oficina está en el campus sur). En un viaje de 20 minutos a través del hermoso bosque detrás del Karlsruhe Palace, el bus del instituto me llevó hasta el campus norte, donde la física Kathrin Valerius me esperaba para llevarme a conocer su preciado experimento. Ella es investigadora principal de un grupo para estudiar física exótica en KATRIN y ha dedicado su carrera a este experimento. Me contó cómo desarrolló su tesis de pregrado y doctorado en los inicios del experimento, por lo que verlo instalado y tomando forma luego de años de preparación la llena de orgullo. Como contaba en el post anterior sobre KATRIN, físicos alemanes poseen experiencia en este tipo de experimentos ya que el predecesor de KATRIN se encontraba en la Universidad de Mainz, en las afueras de Frankfurt. Luego de su fase final, el famoso experimento Mainz (que alguna vez midió algo que parecía ser un neutrino con masa imaginaria) fue desmantelado.
IMG_2584Caminando por el laboratorio bajo un intenso sol de verano, llegamos a un edificio donde una luz parpadeaba en su entrada con la señal imán en operación. Al abrir la puerta Kathrin me dijo “te presento al experimento Mainz”. Mi reacción inmediata fue “¡pero Mainz fue desmantelado!”. Sonrió y me dijo “así es, pero sus piezas fueron traídas a Karlsruhe y lo reconstruimos; no es de conocimiento general pero Mainz está de vuelta”. Kathrin me explicó que tener una versión pequeña de KATRIN sirve para realizar calibraciones muy precisas, además muchas piezas fueron reconstruídas con tecnologías modernas. De hecho el experimento luce como nuevo, sus bobinas están relucientes y la electrónica es muy superior a la usada hace 20 años, sin embargo varias de sus piezas originales se mantienen, como el poderoso imán superconductor en el que se lee “propiedad de la Universidad de Mainz”.

Experimento Mainz reconstruido

Experimento Mainz reconstruido

Personas con marcapasos no pueden entrar a este laboratorio y una línea señala la zona en la que tarjetas de crédito y cualquier otro dispositivo magnético es dañado. Curiosamente una silla se encontraba junto a una señal de radiación ionizante, no tuve ganas de sentarme. Mi anfitriona me explicó que la medición de la masa del neutrino es tan delicada, que incluso el campo magnético terrestre puede ser un problema, por lo que varias de las bobinas que rodean el espectrómetro (el cilindro central) están diseñadas para contrarrestar el campo magnético de la Tierra. “Las bobinas alrededor de KATRIN son un poco más grandes”, me dijo. Fue una grata sorpresa tener la oportunidad de conocer este histórico experimento, el cual ahora funciona como versión a escala del gran KATRIN.

A continuación fuimos a otro edificio, esta vez los imanes no estaban en operación. Una vez adentro pude contemplar el enorme espectrómetro, un cilindro plateado de 10 metros de diámetro y 23 metros de largo que es una mezcla entre un zepelín y un submarino futurista, aunque los miles de cables por todos lados, los cientos de monitores y osciloscopios en todas direcciones lo hacen parecer una nave espacial. Era como ver el experimento Mainz en esteroides. Poder apreciar lo imponente del espectrómetro permite imaginar la fiesta que se vivió cuando fue transportado por las calles a fines de 2006, como muestra esta icónica imagen:

KATRIN rumbo a KIT

KATRIN rumbo al campus norte del KIT en 2006

A continuación dejo algunas fotos que intentan capturar la enorme estructura y la complejidad de los componentes de KATRIN.

Uno de los imanes superconductores que guiarán a los electrones desde la fuente de tritio (en construcción detrás de la malla) hasta el gran espectrómetro. Este imán tiene un diámetro de algo más de un metro y por la cavidad central pasarán los electrones que posiblemente nos revelarán la masa del neutrino:

imanes

Luego de ser filtrados, sólo uno de cada 10 millones de electrones entrará en el espectrómetro a través del pequeño círculo en el centro (aquí con una tapa para proteger el espectrómetro), por los lados hay una serie de instrumentos para registrar cada parámetro relevante como campos magnéticos, presión y temperatura:

center

Vista lateral del espectrómetro: las franjas negras son en realidad secciones de enormes bobinas circulares que lo envuelven, como me dijo Kathrin, son más grandes que las de Mainz; en realidad son tan grandes que cuesta apreciarlas:

long2

Vista posterior, donde se encuentran las bombas de vacío. Las robustas tuberías conectan dos de las seis bombas turbomoleculares usadas para lograr un alto vacío (10-20 mbar). Uno de los grandes desafíos fue hacerlas funcionar apropiadamente en los poderosos campos magnéticos del experimento:

vacio

Finalmente, sólo 100 de cada billón de electrones creados en la fuente de tritio tendrá energía suficiente para cruzar el espectrómetro y llegará al detector, contenido en el enorme imán superconductor en azul. Al medir la energía de estos electrones se puede inferir la masa del neutrino:

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No pude resistirme a guardar una imagen para el recuerdo, donde pueden verse las bobinas que encierran al espectrómetro y el detector de electrones:

KATRINme

Fue muy emocionante estar a los pies de este coloso; desde hace varios años que había visto diagramas y fotos de KATRIN pero verlo en vivo y en directo fue mucho más impresionante de lo que esperaba. Fue inevitable lanzar muchas exclamaciones de asombro y contemplar esta maravilla tecnológica, este gigantesco experimento que ha tomado años y decenas de tesis de doctorado en diseñar y construir. Todo para intentar medir en los próximos años la masa de la más misteriosa y fascinante de las partículas: el neutrino.

Mi agradecimiento a la Dra. Valerius por tomarse el tiempo de darme un tour por KATRIN así como explicarme una variedad de los desafíos técnicos y el funcionamiento de muchos componentes del experimento.

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Brian May, relatividad y dilatación del tiempo

Desde niño quemay Queen es mi banda favorita. Cuando tenía 16 años leí que Brian May, el guitarrista de la banda (y doctor en astronomía desde 2007), construyó su propia guitarra a sus 16, la mítica Red Special. Esto elevó a May a la categoría de ídolo, y como ya había honrado a Galileo intentando construir telescopios y a von Braun intentando construir cohetes, decidí seguir la tradición y me lancé a construir mi propia Red Special. Luego de casi dos años fabricando las piezas, trabajando la madera y diseñando las cápsulas y circuitos, mi primera guitarra eléctrica lanzaba sus primeros acordes, para el pesar de los oídos de mis padres. Mi gran orgullo y uno de mis grandes logros, adorna ahora una pared en su casa. Volviendo a Queen, en 1975 se lanzó la joya de disco titulado A Night at the Opera, que incluye la épica Bohemian Rhapsody. Este disco incluye también la canción número 39 de Queen como banda, la que fue compuesta por Brian May y fue curiosamente titulada ’39. El título es simpático y a muchos hace pensar en una historia de la segunda guerra mundial pero en realidad su contenido es una oda a la física relativista de Einstein. Sigue leyendo

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¿Cómo encontrar un anillo alrededor de un asteroide?

Este 26 de marzo se ha anunciado el descubrimiento de un sistema de anillos alrededor de un asteroide. Este es un descubrimiento bastante sorprendente, puesto que representa el primer espécimen de su especie que hemos encontrado. Hasta ahora, los sistemas de anillos estaban reservados solo para los planetas gigantes gaseosos del sistema solar: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno; pero ahora, el asteroide Cariclo se suma al selecto grupo. Dado que hay bastante información sobre este descubrimiento en sí en otros sitios, vamos a aprovechar este espacio para comentar sobre algunos conceptos generales para entender mejor este hallazgo.

¿Qué es un asteroide?

Según la última clasificación de la Unión Astronómica Internacional, un asteroide debiese llamarse “cuerpo menor del sistema solar” (que abreviaremos “CMSS” en esta entrada). Estos objetos se distinguirían por dos características claves: I) su masa no es lo suficientemente grande para que su propia gravedad lo haya moldeado como un objeto esférico o casi esférico (cosa que sí pasa con los planetas y con los planetas menores); y II) estos objetos no han sido capaces de “barrer” a otros objetos fuera de su propia órbita, porque no tienen una masa suficiente para hacerlo (esto diferencia a los planetas de los planetas menores junto con los CMSS). Además, es requisito que los CMSS, junto con los planetas y los planetas menores, orbiten alrededor del Sol.

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Descubrimiento de modos B en la polarización del CMB

modo-bEl título no es muy atractivo, pero su significado es muy profundo. Los medios hablan de CMB, polarización, ondas gravitacionales, inflación, modos B… son varios conceptos bastante técnicos y aunque ya hay muchos artículos sobre este tema, intentaré mostrar algunos detalles para dimensionar la importancia del descubrimiento anunciado esta mañana.
Hace un año el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea anunció sus esperados resultados de la medición de la radiación cósmica de microondas (CMB), ese llamado ruido de fondo que llena todo el Universo y es a veces también llamado el eco del Big Bang (aunque nada tiene que ver sonido). Los resultados de Planck mostraron una precisión espectacular en las mediciones del CMB y un casi perfecto acuerdo con la teoría del Big Bang. Uno de los resultados que no fue anunciado fue la esperada medición de la polarización del CMB, una propiedad muy importante y que la colaboración Planck presentará a mediados de 2014. Habría que es esperar para conocer los resultados de esa medición, sin embargo Planck no es el único experimento observando el CMB. Aunque es el más moderno telescopio de microondas en el espacio, existen varios telescopios de este tipo en la Tierra. Uno de ellos llamado BICEP2 ha estado en boca de todos desde el viernes cuando se propagó el rumor que sus resultados serían anunciados en una conferencia de prensa en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Para comprender el significado de este histórico descubrimiento intentaré explicar un par de conceptos relevantes. Explicar el Higgs es fácil comparado con esto, lamentablemente el nivel de complejidad es elevado, pero trataré de usar un par de analogías para dimensionar lo espectacular de este descubrimiento.

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Materia oscura e impactos de cometas

extincionLa semana pasada se anunció un paper recién aceptado en la prestigiosa revista Physical Review Letters en el que sus autores plantean una relación entre materia oscura y una posible periodicidad en impactos de cometas con nuestro planeta (periodicidad se refiere a algo que se repite regularmente cada cierto tiempo). Sin pasar a los detalles del paper, la idea puede entenderse como la suma de hechos conocidos y ciertas ideas especulativas, los que presento a continuación.

Hecho #1: el Sol se mueve en torno al centro de nuestra galaxia pero además oscila en torno al disco galáctico con un período de unos 32 millones de años. Es decir, el Sol no sólo orbita la galaxia, también se mueve (por usar lenguaje coloquial) hacia arriba y abajo cruzando el disco de la Vía Láctea como ilustra la imagen a continuación Sigue leyendo

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Un espectro vale más que mil imágenes

El otro día llegué algo tarde a la universidad por lo que encontrar estacionamiento fue difícil. Mientras recorría los varios pisos del estacionamiento frente al Departamento de Física noté algo poco común: había un puesto disponible en el primer piso. Después de exclamar YEAH! estacioné allí mi auto y salí camino a mi oficina con una sonrisa, es un gusto encontrar un espacio tan bien ubicado; probablemente alguien que llegó temprano tuvo que irse por un motivo imprevisto, porque los pocos espacios en los primeros pisos se ocupan temprano. Esto me dejó pensando sobre la similitud entre los espacios en el estacionamiento y los estados que los electrones ocupan en un átomo.Espectro0

Dada la gran cantidad de profesores, administrativos y estudiantes, existen varios estacionamientos de varios pisos. Cada mañana decenas de vehículos ocupan los muchos espacios disponibles. Los primeros en ocuparse son obviamente aquellos en el primer nivel, ya que eso permite salir del estacionamiento en forma rápida y sin necesidad de usar las escaleras. Luego se llenan los pisos superiores, por este motivo llegar tarde implica un ejercicio bajando largas escaleras en la mañana y luego subirlas en la tarde porque sólo habrá espacios disponibles en los pisos superiores. Dada la comodidad del primer nivel los estacionamientos disponibles son muy apetecidos, sin embargo como en toda institución existe una jerarquía y las personas con altos rangos tienen estacionamientos reservados, por ejemplo el presidente de la universidad y el entrenador del equipo de fútbol tienen Sigue leyendo

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La masa del neutrino: una crisis y el futuro

Neutrino_scaleNeutrinos, esas pequeñas y fantasmales partículas creadas en reacciones nucleares que atraviesan todo objeto material a su paso (gatos, personas, planetas) como si fuesen transparentes, son mis partículas favoritas. En este blog me he referido a ellos una y otra vez ya que son fundamentales en en muchos procesos en nuestro universo, muchos de ellos relevantes en nuestras vidas. Desde las reacciones nucleares en el Sol que nos proporciona energía en nuestro planeta hasta los procesos radiactivos usados en hospitales alrededor del mundo. Sin embargo, uno de los más grandes aportes de neutrinos a nuestras vidas es su rol protagónico en los procesos tempranos del universo, justo después del Big Bang, incluso podríamos deber nuestra existencia y la del universo a estos pequeñines, como una vez les llamó Leon Lederman.

Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998

Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998

Una de las grandes sorpresas de estos pequeños neutros fue revelada en 1998: los neutrinos tienen masa. Este descubrimiento llegó a ocupar la portada del New York Times. ¿Cuál es la sorpresa dirá usted? Bueno, el problema es que el Modelo Estándar, esa exitosa teoría física que explica el comportamiento de todas las partículas elementales con lujo de detalles predice que los neutrinos no pueden tener masa! Este descubrimiento es una prueba clara de que el Modelo Estándar tiene una falla. Siempre escuchamos que el bosón de Higgs era la última pieza para completar el puzzle que describe todas las partículas y que su descubrimiento en 2012 cerró este capítulo de la física de partículas, sin embargo algo que no se dice muy a menudo (al menos fuera de la comunidad de neutrinos) es que Modelo Estándar tiene una falla y los neutrinos son los culpables.

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