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.

Caminando 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”.

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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

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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