Neutrinos, 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.

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 tienen 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.

El descubrimiento de la masa de los neutrinos es indirecto, ya que se ha observado su efecto, llamado oscilación (que hemos discutido varias veces). Una de las grandes interrogantes actuales de la física de partículas elementales es cuál es la masa de los neutrinos. Diferentes experimentos han mostrado con seguridad que la masa de los neutrinos es pequeña, menor que una trillonésima de trillonésima de trillonésima de un kilogramo por lo que si fuese posible pesar un neutrino necesitaríamos una balanza muy (muy!) precisa. Además, la imagen que abre este artículo es sólo una representación, ya que los neutrinos nunca están en reposo, siempre se están moviendo casi a la velocidad de la luz, por lo que es imposible detener un neutrino y pesarlo. Entonces ¿cómo medir la masa de un neutrino?

Aquí es donde el ingenio y los experimentos a gran escala se unen. Antes de contar cómo se hará la medición, el otro día pensé en una analogía que puede ayudar.* Hace tiempo que he probado con analogías para explicar la temperatura negativa usando un vaso tapado con canicas, las cuasipartículas usando un banco de sardinas, el bosón de Higgs como aplausos bajo el agua, y las oscilaciones de neutrinos con helados, por lo que una vez más intentaré usar una analogía simple para explicar cómo medir la masa del neutrino.

* Advertencia: una analogía es una comparación de conceptos que puede servir para explicar una idea, hay que tener cuidado con sacar conclusiones basadas en una analogía ya que esta puede sólo ser válida para una idea en particular.

Sandías y duraznos

Supongamos que nos dan una bolsa cerrada con una masa de 2.2 kg, que en su interior contiene una sandía de 2.1 kg y un durazno, y se nos pide determinar la masa de la semilla del durazno. La solución es simple: con un cuchillo cuidadosamente sacamos la semilla del durazno y la pesamos. Fin.

Hagamos que el problema sea más difícil: al sacarla con el cuchillo, sin importar cuán cuidadosos seamos la semilla se nos resbala de las manos y se pierde, por lo que no podemos pesarla. En este caso la medición puede hacerse de manera indirecta: como sabemos la masa total de la bolsa cerrada (2.2 kg) y la masa de la sandía (2.1 kg), entonces podemos inferir que la masa del durazno con semilla es 0.1 kg (100gr), sólo basta con pesar el durazno sin su semilla y la diferencia será el número que buscamos:

…………….masa semilla = masa durazno con semilla – masa durazno sin semilla

…

Sin embargo hay un problema: cuando sacamos la semilla, ésta sale con un poco del cuerpo del durazno, es imposible sacar la semilla si perder algo de durazno, por lo que el número que obtendremos será algo mayor al que buscamos. Una medida precisa requiere sacar la semilla dañando al durazno lo menos posible. Por lo que una buena medición requiere repetir el experimento varias veces (asumiendo que todos los duraznos son iguales): sacamos la semilla a un durazno y lo pesamos, a veces dañaremos mucho el durazno, otras veces no mucho; si el durazno sin semilla pesa muy poco comparado con su peso original (con semilla) sabemos que la semilla se llevó un buen resto de durazno, por lo que no nos sirve; repetimos el proceso varias veces y sólo seleccionamos aquellos duraznos que han sido dañados levemente, es decir, aquellos en los que la semilla se lleve muy pocos restos de durazno. Si hacemos esto un par de veces será simple, pero supongamos que repetimos el proceso millones de veces, en este caso será necesario un colador que nos ayude a seleccionar los que pesan más y que deje a un lado los duraznos sin semilla que pesan poco, así sólo usando los duraznos menos dañados selecionados por el colador podremos obtener una medida precisa de la masa de la semilla.

Neutrinos y el tritio



Como mencionaba antes, los neutrinos son creados en reacciones nucleares, por ejemplo en una desintegración beta, en la que un neutrón en un núcleo radiactivo espontáneamente se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino (que tiene la misma masa que un neutrino). El gran Enrico Fermi cuando desarrolló la teoría de las desintegraciones nucleares en 1934, se dio cuenta que si conocemos la masa del núcleo que se desintegra y la masa del nuevo núcleo creado, gracias al principio de conservación de la energía sólo bastaría con medir la energía del electrón emitido para inferir la masa del neutrino, similar a nuestra medida indirecta de la masa de la semilla de durazno. Años más tarde, Fermi se encontraba ocupado en el desarrollo experimental de la física nuclear cuando en Chicago construyó el primer reactor nuclear en 1942.

Uno de los físicos en el equipo de Fermi era Emil Konopinski, un joven y brillante teórico de Indiana que luego se trasladó a Los Alamos para trabajar en el Proyecto Manhattan. Cuando se planeaba probar la primera bomba atómica (prueba Trinity), el mismo Fermi consideró seriamente que la alta temperatura de la explosión podría iniciar una reacción termonuclear (como las que mantienen al Sol brillando) en nuestra atmósfera, lo que tendría consecuencias catastróficas. A Konopinski se le designó calcular (junto a Edward Teller) esta posibilidad, concluyendo que esto no ocurriría y que el planeta estaría a salvo. Teller tenía la curiosidad de saber si el calor generado por una bomba atómica podría usarse para iniciar una reacción termonuclear, por lo que propuso a Konopinski estudiar en detalle el elemento más liviano de la tabla periódica: hidrógeno (y sus primos más pesados el deuterio y el tritio). Los cálculos de Konopinski y Teller mostraron que el deuterio y el tritio bajo ciertas condiciones sí podrían generar una reacción termonuclear, lo que sentó las bases de la bomba de hidrógeno (H). Después de la Segunda Guerra Mundial, el proyecto de la bomba H fue dirigido por Teller en el recién establecido Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) en California; Konopinski abandonó Los Alamos para volver a enseñar en Indiana.

Hace unos años la universidad me dio un premio por docencia llamado Konopinski Award, y honestamente en ese momento desconocía el trabajo de este físico. Leyendo un poco aprendí que después de la guerra regresó a su puesto de profesor acá en Indiana University y en 1947 publicó un importante resultado: motivado por sus estudios sobre el tritio (que es un isótopo radiactivo del hidrógeno formado por un protón y dos neutrones), Konopinski retomó la idea de Fermi y demostró que la desintegración beta del tritio podría usarse para determinar un límite superior a la masa del neutrino. En el mismo paper muestra que la masa del neutrino debe ser muy pequeña, 30 veces más liviano que el electrón (o menos). Además demostró que por sus propiedades, el tritio sería el elemento ideal para medir la masa del neutrino en futuros experimentos.

Cómo funciona: el tritio equivale a la bolsa con la sandía y el durazno en la analogía, la sandía es el núcleo de helio-3 creado cuando el tritio se desintegra y la escurridiza semilla del durazno representa al antineutrino, que escapa sin ser detectado. El durazno representa la energía del electrón que puede ser medida. Igual que en la analogía, para obtener una buena estimación de la masa del antineutrino (la semilla del durazno) se necesitan sólo aquellos electrones con mucha energía (duraznos menos dañados al quitarles la semilla), para lo cual necesitamos un aparato que los filtre, un colador que sólo analice los electrones interesantes para nuestra medición. Este colador actúa como una barrera que rechaza los electrones de poca energía porque si el antineutrino se lleva mucha energía es equivalente a una semilla que sale con muchos restos de durazno. Este filtro sólo deja pasar los electrones de alta energía (en estos casos el antineutrino se lleva muy poca energía). Contando los electrones de alta energía producidos por la desintegración de tritio es posible inferir la masa del neutrino, igual que en la analogía es posible inferir la masa de la semilla del durazno.

La crisis de la nasa del neutrino



Siguiendo la sugerencia de Konopinski, varios experimentos se diseñaron para inferir la masa del neutrino midiendo cuidadosamente la desintegración del tritio. Estos experimentos no miden directamente la masa m del neutrino, sino que el cuadrado de la masa m2. En la carrera internacional por medir la masa del neutrino usando esta técnica competían diversos experimentos en China, EE.UU., Japón y Suiza. Mezclas de tritio con otros materiales se usaron como fuentes sólidas de tritio, pero los resultados eran algo sucios (contaminados con fuentes de error). En los años 80 un equipo en Los Alamos, donde décadas antes Konopinski había comenzado a pensar en el tritio, desarrolló un método para usar este elemento en estado gaseoso, lo que mejoró notablemente las mediciones.

Paralelamente, en Oxford se desarrolló un filtro electromagnético, el que fue reinventado para recolectar los electrones de alta energía emitidos por la desintegración del tritio y rechazar los de baja energía, que podría funcionar como el colador de duraznos en la analogía. Este aparato realiza lo que se denomina colimación magnética adiabática con filtro electrostático o más breve MAC-E (por su sigla en inglés), al que simplemente se le llama el espectrómetro. Este es un cilindro alargado con muchas bobinas en una configuración especial alrededor del cilindro que crean los campos electromagnéticos necesarios para recolectar los electrones de alta energía emitidos por la desintegración del tritio y medir su energía en un detector. A mediados de los años 80, Alemania y la Unión Soviética se sumaron a la carrera; los dos equipos de físicos diseñaron sus propios espectrómetros de este tipo (filtros MAC-E) dándoles ventaja sobre los otros competidores, uno en la universidad alemana de Mainz y otro en el laboratorio ruso de física nuclear en Troitsk. Mientras, el experimento de Los Alamos (que no usaba esta tecnología) recolectaba datos y unas semanas antes de que Guns N’ Roses’ debutara con Appetite for Destruction (en 1987), este equipo presentó sus resultados: curiosamente encontraron un valor negativo de m2 lo que no tiene sentido (el cuadrado de todo número real siempre es positivo), sin embargo los errores asociados con la medición no permitían una conclusión de ningún tipo y el valor negativo de m2 quedó como una curiosidad. Aunque con baja significancia, la curiosidad se transformó en preocupación cuando experimentos usando otros métodos también favorecían un valor negativo de m2.

Konopinski murió en 1990. En ese tiempo se esperaban con ansias los resultados de los experimentos en Mainz y Troitsk. La sorpresa fue mayúscula cuando al año siguiente ambos experimentos también encontraron experimentalmente que los neutrinos parecían tener un m2 negativo, como si el neutrino fuese un taquión (partículas hipotéticas que se moverían más rápido que la luz). Estos resultados fueron tan extraordinarios como el anuncio de los neutrinos superlumínicos en OPERA. Al igual como ocurrió en 2011, mucho escepticismo rondaba y se llamó a proponer soluciones para el problema, sin embargo otros experimentos usando métodos alternativos encontraron el mismo resultado! El Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) en EE.UU. tenía una gran experiencia en el manejo del tritio ya que era el centro del desarrollo de armas termonucleares (Edward Teller fue su primer director), así como Los Alamos lo fue durante el Proyecto Manhattan. Allí, un nuevo experimento fue construido, que al usar técnicas diferentes serviría para clarificar el problema del m2 negativo; la comunidad esperaba con ansias los resultados para resolver el problema. En octubre de 1995, cuando la comunidad científica todavía celebraba el descubrimiento del primer planeta extrasolar anunciado hacía unos días, la prestigiosa revista Physical Review Letters publicó el resultado del experimento LLNL dejando a todos desconcertados: se midió un m2 negativo con una significancia de más de 6σ (recordemos que por convención, 5σ es la significancia mínima para declarar un descubrimiento). En este caso, la observación era tan radical que no se declaró descubrimiento alguno, no hubo celebración, sólo desconcierto, los neutrinos tenían a los físicos viviendo una crisis. Sin la conectividad de hoy en día, esta noticia no causó el impacto mediático de los neutrinos de OPERA, es necesario recordar que esto ocurrió en 1995, cuando el transbordador Atlantis se acoplaba por primera vez a la Estación Espacial MIR y apenas comenzaba la segunda temporada de Friends. La crisis aumentaba, esta vez no había cables sueltos a los cuales culpar como error de medición. La comunidad estaba tan desconcertada que en mayo de 1996 Harvard invitó a todos los físicos que tuviesen ideas para debatirlas en una conferencia llamada Tritium Beta Decay Spectrum: The Negative Neutrino Mass-Squared Issue (algo así como el problema del valor negativo del cuadrado de la masa del neutrino en la desintegración del tritio). Físicos teóricos y experimentales de todo el mundo acudieron a la reunión para exponer ideas, sugerir mejoras, proponer nuevos métodos para analizar los datos, de todo. Durante esos años muchas ideas exóticas fueron inventadas para intentar explicar la anomalía, curiosamente más de una década antes mi supervisor de tesis había planteado (junto a sus colaboradores) la posibilidad de que el neutrino podría ser un taquión cuando era postdoc en Los Alamos. En ese paper incluso muestran un esquema idéntico a los datos experimentales ahora observados en el experimento LLNL.

La conclusión fue mejorar las mediciones e incorporar varios efectos muy pequeños pero que no habían sido considerados, en particular pequeñas modificaciones producidas por el helio-3 creado en la desintegración del tritio en el experimento, con la esperanza de que el resultado anómalo desapareciera.

Con el pasar del tiempo, los experimentos más precisos (Mainz y Troitsk) acumularon muchos años de datos y además de reanalizaron cuidadosamente los datos antiguos usando modernas técnicas. Se mostró que el desconcertante valor negativo del cuadrado de la masa del neutrino se acercaba a cero (dentro del margen de error). El consenso actual es que vibraciones de las moléculas de helio-3 habrían causado señales erróneas en los detectores. Mainz presentó su análisis final en 2005, el que resultó compatible con los resultados finales de Troitsk en 2011. Algo que de lo que no se habla es por qué otros experimentos independientes también midieron un valor anómalo. Simplemente se atribuye a un error experimental en muchos experimentos que usaban técnicas algo primitivas, pero nadie quiere tocar ese tema. Se trataba de un resultado experimental vergonzosamente en contra de la teoría, sin embargo son estas crisis las que producen avances en la ciencia, así es como se construyen métodos para aumentar nuestro conocimiento.

El futuro: KATRIN

La masa del neutrino sigue sin medirse, todos los experimentos sólo lograron una cota superior: el neutrino tiene una masa menor a un millonésimo de la masa del electrón (bastante más preciso que el valor obtenido por Konopinski en 1947). Con los años fue claro que un moderno y más sensible experimento sería necesario. Para esto los equipos de Mainz y Troitsk trabajarían juntos para compartir lo mejor de cada uno de estos experimentos, además de escalarlo a un tamaño mayor. La colaboración incluye físicos de varios países, incluyendo Alemania, EE.UU., Gran Bretaña, República Checa y Rusia. Dada lo pequeña que parece ser la masa del neutrino se necesita un colador muy sensible, muy fino. Cálculos mostraban que un filtro MAC-E aumenta su sensitividad con el diámetro del cilindro usado y además las bobinas requieren un cilindro alargado. El espectrómetro de Mainz y Troitsk tenían un diámetro de algo más de un metro, el nuevo experimento contaría con un espectrómetro enorme. También se planeó usar tritio gaseoso (idea desarrollada por el equipo de Los Alamos) y ultra puro para evitar errores experimentales y recolectar más datos en menos tiempo. La única fuente en el mundo de tritio de alta pureza se encuentra en el laboratorio del Karlsruher Institut für Technologie (KIT) en Alemania, por lo que se escogió este lugar para instalar el nuevo experimento llamado Karlsruher Tritium Neutrino experiment (KATRIN).

KATRIN es un coloso de 70 m de largo, lo que incluye una larga fuente de tritio fabricada con imanes superconductores (como los que guían los protones del LHC), donde los electrones creados son transportados por poderosos campos magnéticos hacia filtros para remover toda impureza incluyendo helio-3, hasta llegar a un pequeño MAC-E llamado pre-espectrómetro que remueve más del 99% de los electrones que tienen baja energía y el 1% restante pasa al espectrómetro principal, que tiene 10 m de diámetro y 23 m de largo. Aquí se filtran delicadamente los electrones y sólo se deja pasar a los que sirven para la medición de la masa del neutrino en el detector, en el otro extremo.

La construcción de KATRIN ha tomado varios años y debido a los exigentes criterios tecnológicos ha batido varios récords durante su construcción. Muchas nuevas tecnologías fueron creadas para satisfacer los criterios de pureza y limpieza necesarios para una medición tan delicada. La sección que más desafíos requirió es el gran espectrómetro, fabricado entre 2004 y 2006 por una empresa dedicada a fabricar tanques para reactores químicos en la ciudad de Deggendorf, junto al río Danubio. Debido al alto costo de cerrar 400 km de carretera hasta Karlsruhe (ubicado junto al río Rin) para transportar el enorme espectrómetro, se optó por montarlo en una barcaza. Debido a su tamaño los pequeños canales para pasar del Danubio al Rin fueron descartados por lo que el espectrómetro tuvo que tomar un pequeño desvío: el 26 de septiembre de 2006 comenzó su transporte por el Danubio hasta el Mar Negro, luego en un barco mayor se pasó al Mediterráneo, cruzando el estrecho de Gibraltar bordeando Portugal para navegar hasta la costa holandesa donde pudo ingresar al río Rin que lo llevó hasta Karlsruhe:

En vez de 400 km, el espectrómetro recorrió 9.000 km durante 2006, en muchos lugares pasando a sólo centímetros de los puentes. En varias ciudades era esperado por mucha gente que salió a su paso, sin embargo el espectáculo mayor ocurrió luego de su desembarco en la localidad de Leopoldshafen ubicada entre el río Rin y el laboratorio, al norte de Karlsruhe. La fría mañana del 25 de noviembre unas 3.000 personas se reunieron junto al río para ver cómo una enorme grúa movía el plateado tanque con aspecto de submarino o zepelín que parecía sacado de una película de ciencia ficción. En Leopoldshafen la gente se lanzó a las calles para ver el coloso transportado lentamente por la calle principal a centímetros de sus casas escoltado por policías, muchas personas podían tocar el espectrómetro desde sus ventanas. Como preparación, a muchos árboles se les cortó sus ramas días antes, otros fueron curvados con cuerdas y algunas señales de tránsito debieron ser removidas. Fue toda una fiesta en este pequeño pueblo que quedó registrado en varios videos:

Un informativo video también puede encontrase en este link (en inglés). La imagen más icónica de KATRIN justamente muestra el espectrómetro en las calles de Leopoldshafen (esta imagen aparece en cada conferencia de neutrinos desde 2006)



El espectrómetro principal se encuentra instalado en el laboratorio de KIT. En estos años, varios otros de los componentes han sido terminados e instalados. KATRIN se encuentra tomando datos para calibrar su gran espectrómetro y se espera que los últimos componentes se instalen en los próximos meses.

Este es considerado unos de los más importantes experimentos en física de partículas y muchos ojos están puestos en KATRIN. Seguimos sin conocer la masa del neutrino pero hay mucha confianza en que KATRIN responderá esta pregunta en pocos años. Muchos se preguntan qué pasaría si se observa un m2 negativo; aunque poco probable, sería muy interesante y abriría un debate frente a un tema que fue muy controversial hace una década.

En unas semanas parto a Karlsruhe a comenzar una posición postdoctoral, estaré en el instituto donde se encuentra KATRIN y espero con ansias que los datos no tarden en llegar, sería un agrado contar desde el centro de la noticia que algo interesante ha sido encontrado. Este instituto cuenta como uno de sus ex-alumnos ilustres a Edward Teller, quien hizo a Konopinski pensar en el tritio durante el Proyecto Manhattan. El otro día con mi supervisor de tesis discutíamos detalles de un paper que publicamos recientemente sobre desintegración del tritio; mientras escribía fórmulas en su pizarra me dijo: “¿sabías que esta era la oficina de Konopinski? El paper original del tritio fue probablemente escrito en esta oficina, y de aquí te vas a Karlsruhe donde KATRIN usará este principio. KATRIN es una maravilla tecnológica de la que Konopinski estaría orgulloso”.

Actualización (Julio 2014): tuve la oportunidad de visitar KATRIN, acá la historia y fotos.

Imágenes: New York Times, Indiana University, Helmholtz Association, Amblin Entertainment.