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) 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 (10-11 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:

deetctor

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.

Artículos relacionados:

Road Trip: Estocolmo, Suecia
Road Trip: Villigen, Suiza
Road Trip: Los Alamos, New Mexico

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
Esta entrada fue publicada en Física de Partículas, Neutrinos, Road Trip. Guarda el enlace permanente.

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

  1. Hernán Medina dijo:

    Jorge,
    Gracias por el reportaje……..no todo es fútbol en Alemania.
    ¿Cuál es la relación de tu trabajo y el proyecto KATRIN ?
    ¿Hay otros chilenos trabajando en el proyecto KATRIN ?

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Hernán,
      el experimento KATRIN involucra a físicos de Alemania, EE.UU., Gran Bretaña, República Checa y Rusia; ellos se han encargado de diseñar y constriur este enorme y complejo experimento. Mi participación es más bien indirecta. No soy miembro de la colaboración, sin embargo el año pasado escribí un paper en que junto a mis colaboradores proponemos una idea para buscar por posibles desviaciones de la relatividad en neutrinos, que podría observarse en KATRIN. Ahora que estoy trabajando en el KIT mi participación es algo más activa ya que un grupo de físicos de KATRIN quiere concretar nuestra propuesta y tenemos oficina en el mismo edificio, lo que permite un intercambio de ideas más directo.
      Desconozco si hay chilenos trabajando en KATRIN, de haberlo sería a través de alguna universidad de los países mencionados arriba ya que Chile no participa en este experimento.

      • Albert dijo:

        Jorge, las posibles desviaciones que propones estudiar en neutrinos ¿son de la Relatividad General o de la Relatividad Restringida, (o Especial, como dicen los anglos)?
        ¡¡Gracias por divulgar Ciencia, saludos y suerte!!

        • Jorge Diaz dijo:

          Hola Albert,
          las posibles desviaciones en realidad corresponden a la llamada simetría de Lorentz, que es el corazón de la relatividad especial (y del modelo estándar). Hace tiempo que preparo un post especial sobre este tópico ya que corresponde a mi tesis de doctorado y siempre he querido contar de qué se trata. Espero publicarlo pronto. Un saludo.

  2. Pingback: Las notas de ciencia más destacadas de la semana en la #RedLBC | RedLBC

  3. Daniel Martínez dijo:

    gracias Jorge, tu trabajo me ha inspirado y puedo decir que has sido una gran inspiracion. Justo hoy empece mi primer dia en fisica y ansio por el momento en el q pueda desempeñarme igual q tu.

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Daniel,
      gracias por tus palabras. Me alegra saber que escribir en este blog puede ir más allá de sólo contar historias. Los mejores deseos en la carrera.

  4. Pingback: La masa del neutrino: una crisis y el futuro | Conexión causal

  5. Alejandro Pérez dijo:

    Hola jorge, vi el enlace hace poco buscando sobre la masa del neutrino, está muy bien la divulgación, muchas gracias por escribir el articulo.
    Sobre la masa del neutrino estoy bastante intrigado, según leí hace poco que midieron la masa del neutrino con bastante exactitud y erqn 0.33 i eV con un margen de error que no se salia de los imaginarios. Es el siguiente enlace, http://arxiv.org/abs/1408.2804 pero según dijiste estaban midiendo que la masa parecia ser real en los nuevos datos..
    Te quería preguntar, para el concurso escolar que organiza el cern mandan pensar un experimento, yo pense que igual se podria calcular la masa del neutrino en una desintegracion del pion en la que se produce un electron o muon y un neutrino, midiendo energiqs y momentos de los piones, electrones y muones y por E^2=m^2c^4+p^2c^2 conocer la masa. ¿Piensas que esto se podria llevar a cabo en un principio?
    Gracias y feliz año!

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Alejandro,
      Me alegro que te gustara el artículo. Sobre la masa del neutrino, hoy es aceptado que no tenemos un valor medido, sólo una cota superior ya que la precisión de los experimentos no permiten distinguir un valor no nulo, algo que se espera se resuelva con KATRIN. Miré el paper que mencionas y pude notar un par de cosas que me hacen dudar mucho, con todo respeto al autor acá mis críticas:
      1. el valor reportado para la masa del neutrino está mal escrita, nunca se usan diferentes cifras significativas en el valor medido y su error (esto me hace inmediatamente dudar del resultado);
      2. el paper tiene 7 revisiones en 5 meses y todavía no ha sido publicado, lo que muestra que no ha pasado el peer review (al menos no todavía);
      3. el autor asume muchas cosas para obtener el valor reportado;
      4. como regla general, es preferible cuando una cantidad física es determinada por físicos experimentales ya que los teóricos muchas veces desconocen las posibles fuentes de error de las mediciones así como las limitaciones de las técnicas usadas; además es peligroso mezclar diferentes resultados experimentales ya que las técnicas pueden diferir.
      Mi veredicto es que el resultado de este paper es irrelevante y/o poco confiable hasta que haya un resultado experimental concreto.

      Interesante tu propuesta para medir la masa del neutrino en la desintegración del pión, lamentablemente como suele ocurrir, alguien ya pensó en eso. La idea data de los años 70s, y sí, es posible y estas mediciones han sido realizadas. Esta idea es bastante simple, sin embargo la precisión lograda no muy buena ya que en este proceso el neutrino se lleva mucha energía, haciendo difícil la medición de su masa; la mejor precisión parece ser posible sólo usando tritio que es la idea detrás de KATRIN. De todas maneras, si te interesan los detalles de los estudios usando la desintegración del pión, te dejo un par de links:
      paper de 1979
      lecture con detalles
      web de un viejo experimento con detalles

      • Alejandro Pérez dijo:

        Hola jorge, gracias por los links, no he tenido tiempo de mirarlos casi, ¿el primer enlace hay que suscribirse para verlo?. Lo de la masa del neutrino no sé que pensar, pero es verdad que hay no venían muy documentados los datos.
        Ya, pensaba que ya lo habrían hecho otros antes, no nos piden originalidad respecto a eso, ya que es obvio que alguien sin experiencia no va a pensar nada que no se hayan pensado antes personas experimentadas.
        Me miraré eso, a ver si puedo hacer algo parecido.
        Muchas gracias otra vez y suerte con el blog.

  6. Yaima Cires dijo:

    Hola Jorge, muchas gracias, tu blog me parece espectacular, yo soy graduada de fisica nuclear y estoy haciendo una maestria en Astrofisica, justamente en estos momentos estoy preparando un seminario sobre el experimento KATRIN y la verdad me sirvio de mucho toda la informacion que nos brindastes. Espero que hagas mas publicaciones. Muchas gracias nuevamente y muchos exitos con el blog.
    Saludos

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Yaima,
      gracias por tu comentario; me alegra que el blog sea de tu agrado y además que los artículos que he escrito sobre KATRIN sean útiles. Éxito con tu presentación, si puedes cuéntanos más, ¿dónde es tu seminario?
      ¡Bienvenida a CC!

  7. Pingback: Premio Nobel de Física 2015: oscilación de neutrinos | Conexión causal

  8. Pingback: La partícula hipotética | Zona Geek

  9. Pingback: Mensajeros cósmicos I: rayos cósmicos | Conexión causal

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s