A joint Fermilab/SLAC publication
An illustration of a group of people in front of the MINERvA detector
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Una asociación apuesta por los neutrinos

10/16/19

Una colaboración con menos de 100 miembros ha jugado un papel importante en la asociación continua de Fermilab con científicos e instituciones latinoamericanas.

En el piso 12 de Wilson Hall, el edificio central del Fermi National Accelerator Laboratory en las afueras de Chicago, se encuentran las oficinas y cubículos ocupados por miembros de la colaboración MINERvA.

El experimento MINERvA estudia cómo las partículas llamadas neutrinos y sus contrapartes de antimateria, antineutrinos, interactúan con diferentes tipos de materiales; y terminó de recopilar datos a fines de febrero. Pero aún le quedan varios análisis por hacer.

Por lo general, el área está tranquila, pero ocasionalmente hay alguna que otra conversación en el pasillo, a veces en inglés, en español o en portugués.

Alrededor de un tercio de los científicos que han participado en el experimento desde sus inicios, en 2002, provienen de países de América Latina. Las instituciones que participan incluyen la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP); la Universidad Nacional de Ingeniería en Perú; la Universidad Técnica Federico Santa María en Chile; la Universidad de Guanajuato en México; y el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF). El Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV) en México también se unió recientemente a MINERvA. Más de 45 estudiantes de esas instituciones han obtenido o están en proceso de obtener un título a partir del experimento, y algunos incluso han obtenido más de uno.

La composición del experimento es, de alguna manera, una continuación de un esfuerzo iniciado por el exdirector de Fermilab y ganador del premio Nobel Leon Lederman para contactar a los físicos en América Latina. La mayoría de los físicos latinoamericanos que llegaron a Fermilab en la década de 1970 trabajaron en experimentos basados en aceleradores, sobre haces especializados de partículas, o en Tevatron, el colisionador de partículas del laboratorio. Aunque muchos de ellos han pasado a experimentos similares en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, nuevas generaciones de científicos latinoamericanos todavía están llegando a Fermilab, muchos de ellos para estudiar neutrinos. 

El gran contingente de científicos latinoamericanos en el experimento de neutrinos MINERvA ha agregado un componente bilingüe a la comunicación en Fermilab, tanto para anunciar nuevos resultados, como para hablar con futuros físicos potenciales. Y aunque la operación del detector MINERvA ha llegado a su fin, la asociación entre las instituciones latinoamericanas y Fermilab en la investigación de neutrinos apenas ha comenzado.

Illustration of scientists speaking English, Spanish and Portuguese in Wilson Hall at Fermilab
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Nueva vida para una vieja asociación

Los neutrinos son las partículas de materia más abundantes en el universo. La fusión nuclear que hace brillar al sol y a otras estrellas los está produciendo constantemente, al igual que otros procesos nucleares y subatómicos. A pesar de esta abundancia, los neutrinos son difíciles de estudiar porque rara vez interactúan con otra materia, lo que los hace difíciles de detectar. Alrededor de 100 billones de neutrinos atraviesan a cada persona por segundo, día y noche. 

El físico Wolfgang Pauli postuló por primera vez la existencia del neutrino en 1930 para explicar una anomalía aparente en algunos tipos de desintegración nuclear. Desde entonces, los científicos han aprendido mucho sobre estas partículas escurridizas.

Hay tres tipos (o sabores) de neutrinos. El Premio Nobel de 2015 fue compartido entre dos científicos del experimento Super-Kamiokande en Japón y del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) en Canadá. Ellos demostraron en 1998 y 2001 que los neutrinos cambian de sabor a medida que se mueven por el universo. El descubrimiento tuvo la sorprendente implicación de que los neutrinos tienen al menos una pequeña cantidad de masa, algo que no fue predicho por el Modelo Estándar de física de partículas. Los científicos aún no saben de dónde proviene esa masa.

Comprender los neutrinos podría responder preguntas importantes sobre nuestra galaxia y el universo. Los neutrinos podrían desempeñar un papel vital en las explosiones de supernovas, que ayudan a la formación de galaxias. También podrían haber desempeñado un papel en la composición de nuestro universo: aunque el Big Bang debió haber producido cantidades iguales de materia y antimateria, que debieron haberse aniquilado mutuamente por completo, de alguna manera existimos en un universo dominado por la materia.

El experimento MINERvA es un paso intermedio, diseñado para responder las preguntas que los científicos deben hacer antes de poder abordar esos grandes misterios: ¿Qué sucede cuando un neutrino interactúa con el núcleo masivo de un átomo? ¿Qué tecnología deberían usar los científicos para estudiar estas partículas extrañas? ¿Cómo interactúan con los diferentes tipos de materiales en los detectores que se podrían construir? Antes de MINERvA no había ningún experimento diseñado para usar diferentes materiales colocados en el mismo haz de neutrinos, a fin de determinar los mejores modelos de cómo los neutrinos y antineutrinos interactúan con los núcleos de diferentes átomos. 

Los co-portavoces fundadores Jorge Morfín y Kevin McFarland propusieron el experimento MINERvA por primera vez en 2002. La construcción del experimento fue aprobada en 2007 con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. 

El detector MINERvA incluye una serie de placas hexagonales compuestas de diferentes materiales sólidos, y tanques de agua y helio líquido, cada uno en la trayectoria del haz de neutrinos. La parte activa del detector está compuesta de centelleador sólido. Los científicos lo construyeron en Fermilab a unos 100 metros bajo tierra, protegido de la interferencia de los rayos cósmicos que caen del espacio, en la trayectoria de los rayos de neutrinos y antineutrinos muónicos más intensos.

Morfín agradeció los primeros esfuerzos de Lederman para asociarse con científicos en América Latina, y decidió hacerse cargo de mantener esas relaciones en pie. En 2005 fue de país en país y se comunicó con los contactos que había hecho cuando trabajó en otros experimentos en Fermilab. Poco a poco, convenció a un grupo de científicos latinoamericanos para que se unieran a MINERvA y llevaran a sus estudiantes con ellos.

MINERvA comenzó a registrar datos en 2010. Durante sus nueve años de operación, el experimento mapeó minuciosamente las interacciones de neutrinos con poliestireno, carbono, hierro, plomo, agua y helio. 

“Los estudiantes y colaboradores latinoamericanos, mediante el análisis de una serie de temas de física, han sido esenciales para determinar cómo interactúan los neutrinos con estos núcleos”, dice Morfín. “Y los beneficios son mutuos”. 

Participar en este paso crucial para futuros experimentos con neutrinos les ha despejado el camino a los estudiantes que comenzaron sus carreras en MINERvA. 

José Bazo, ahora profesor asociado en PUCP, fue uno de los primeros estudiantes en MINERvA. Cuando él y sus compañeros se unieron a la colaboración, el detector todavía estaba en construcción, por lo que se pasaron un año realizando simulaciones. Estas simulaciones probaron diferentes modelos teóricos de cómo colisionarían los neutrinos disparados en el detector MINERvA, dependiendo del diseño del haz de neutrinos. 

Al unirse a MINERvA al principio, Bazo y sus colegas pudieron dar forma a la configuración del experimento.

MINERvA ha continuado brindando experiencias de aprendizaje fundamentales como éstas a los estudiantes a lo largo de los años. 

Barbara Yaeggy de la Universidad Técnica Federico Santa María de Chile se unió por primera vez a la colaboración MINERvA en 2016. Ella dice que en ese momento estaba abrumada. Antes de MINERvA, Yaeggy solo había trabajado en física teórica, por lo que nunca había tenido que considerar los pormenores de trabajar con un detector de verdad. 

“Me tomó mucho tiempo sentir que sabía lo que estaba haciendo”, dice ella. “Pero eventualmente te das cuenta de que los científicos experimentados no esperan que seas un experto. Quieren que desarrolles ideas, participes y hagas preguntas”.

Illustration of hands with lines passing through them representing neutrinos
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Compartiendo la ciencia

En 2013 MINERvA anunció su primer resultado científico, con un giro inesperado. Por primera vez un experimento de Fermilab agregó un resumen de su resultado escrito en español. (Los científicos de MINERvA ahora también escriben resúmenes en portugués). 

“Queríamos asegurarnos de que las personas en América Latina y los hispanohablantes en los Estados Unidos recibieran la física importante en su idioma”, dice Morfín. “Y las palabras provienen de estudiantes latinoamericanos en MINERvA”.  

Esos estudiantes también han sido fundamentales para llegar a las comunidades de habla hispana en los Estados Unidos, cerca de Fermilab. 

Desde 2016, la científica de Fermilab Minerba Betancourt, de Venezuela, ha trabajado con una organización llamada “Dare to Dream (Atreverse a soñar)” para traer alumnas de secundaria a Fermilab para una conferencia anual de Latina STEM. Estas conferencias les permiten a las jóvenes conocer a profesionales de STEM, como los estudiantes y científicos de MINERvA, quienes comparten sus experiencias a través de sesiones de preguntas y respuestas, actividades prácticas, y un recorrido por el laboratorio, en español. 

El recorrido permite que las niñas y sus padres, que no hablan inglés, puedan seguirlo fácilmente, dice Betancourt, quien comenzó a hablar inglés con regularidad después de llegar a los Estados Unidos para graduarse de la escuela. “Además, ellos nos ven como un ejemplo”, refiriéndose a sus padres. “Ven cómo las niñas pueden estar en el futuro”. 

Betancourt lo ve como una oportunidad importante para las jovencitas y para los jóvenes científicos que trabajan con ellas. Los científicos tienen la oportunidad de enseñar y practicar sus habilidades de comunicación científica.

En 2017, Fermilab también comenzó a ofrecer una versión bienal en español de su programa mensual “Ask a Scientist (Pregúntale a un científico)”, en el que los científicos se ofrecen como voluntarios para conversar con los visitantes del laboratorio sobre ciencia.

Illustration: Jose Bazo, Barbara Yaeggy, Minerba Betancourt
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Continuando con la tendencia

MINERvA no ha sido la única fuerza que atrajo a investigadores latinoamericanos a Fermilab. Casi al mismo tiempo que Morfín comenzó a acercarse a las instituciones latinoamericanas para colaborar en MINERvA, la teórica de Fermilab Marcela Carena, de Argentina, comenzó un programa estudiantil en el Departamento de Física Teórica de Fermilab. Desde el inicio del programa, 15 estudiantes de Argentina, Brasil, Chile, México y Perú se han involucrado en física teórica en Fermilab. 

Y a pesar de que el experimento MINERvA ha terminado de recopilar datos, la participación latinoamericana en la investigación de neutrinos en Fermilab sigue siendo intensa con los detectores que componen el programa Short Baseline Neutrino (SBN) del laboratorio, así como el experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), organizado por Fermilab. 

Los científicos del programa SBN utilizarán tres detectores, ubicados en lugares dentro de los 600 metros de la fuente del segundo haz de neutrinos de Fermilab, para estudiar cómo oscilan los neutrinos. Los datos recopilados por el programa SBN ayudarán a los científicos a determinar si en realidad hay más de tres tipos de neutrinos, como han sugerido algunos experimentos anteriores. 

El CINVESTAV, de México, se ha unido a la colaboración SBN. Y Betancourt dice que está incentivando a los miembros de la colaboración MINERvA a unirse también. “Creo que no hay nada más emocionante que el comienzo de un experimento”, dice ella. “Y el SBN comenzará dentro del próximo año”.

La construcción de los detectores para el SBN también ayudará a los científicos a prepararse para el próximo experimento principal de Fermilab, el DUNE. 

El DUNE estudiará las propiedades de los neutrinos utilizando un nuevo haz de neutrinos y detectores de Fermilab colocados tanto a una distancia corta, similar al SBN, como a una mucho más larga: los “detectores lejanos” de DUNE se ubicarán a 1300 kilómetros (unas 800 millas) de distancia del laboratorio en una antigua mina convertida en un laboratorio subterráneo de alta tecnología llamado Sanford Underground Research Facility en Lead, Dakota del Sur. Los cuatro módulos de detectores lejanos, cada uno de 62 metros de largo y tan altos como un edificio de cinco pisos, serán los detectores de neutrinos más grandes jamás construidos en los Estados Unidos. 

Todas las instituciones con sede en América Latina que participan en MINERvA ya se han inscrito para participar. “El DUNE es ahora el fruto de todos estos esfuerzos”, dice Morfín. “Ahora hay un esfuerzo concertado dentro de los países latinoamericanos para contribuir plenamente al éxito del DUNE”. 

Quizás entre los jóvenes científicos que participan en SBN y DUNE estarán los futuros defensores que mantendrán vivas las relaciones entre Fermilab y las instituciones latinoamericanas para las generaciones venideras.