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Takaaki Kajita en el IFUNAM: la historia del Premio Nobel 2015

Luciana de la Fuente
3/feb/2020

Hoy sabemos que los neutrinos tienen masa gracias a SNO (Sudbury Neutrino Observatory) y Súper Kamiokande (Súper-K), los primeros detectores que permitieron confirmarlo y otorgarles el premio Nobel de Física en 2015 a el canadiense Arthur B. McDonald y el japonés Takaaki Kajita. Ahora, Kajita trabaja en el siguiente gran paso en la búsqueda de neutrinos: el Hyper Kamiokande, 10 veces más grande que su antecesor.

Al visitar el Instituto de Física el pasado 28 de noviembre, Kajita habló del inicio del Súper-K, cómo derivó en el Nobel y sobre las preguntas que aún faltan por responder.

El Super-K pertenece al ICRR (Institute for Cosmic Ray Research) y está ubicado a 1km bajo tierra en Hida, Japón. En su tiempo, fue el detector de neutrinos más grande en el mundo, y consiste de un tanque cilíndrico de 40m de altura y 40m de ancho, por dentro, las paredes están llenas de fotomultiplicadores que rodean a las 50,000 toneladas de agua que contiene.

Takaaki Kajita en su visita al IFUNAM. Crédito: Pedro Zaldívar.

Estos fotomultiplicadores son los encargados de detectar la luz provocada por el efecto Cherenkov en el agua, producido por las partículas cargadas al atravesar el tanque; posteriormente, con el tiempo y carga que dio la partícula detectada, se calcula la energía y dirección de la misma.

Súper-K detecta neutrinos que viajan de arriba para abajo y viceversa. Asimismo, identifica tanto neutrinos del muón como neutrinos del electrón para comparar y complementar resultados.

El experimento comenzó a tomar datos en 1996, pero fue hasta 1998 cuando lanzó su resultado más relevante: había una discrepancia numérica entre los modelos teóricos y los datos recolectados para los neutrinos del muón y los del electrón, que viajaban de arriba hacia abajo comparado con los que viajaban de abajo hacia arriba; esta diferencia de números comprobó las primeras oscilaciones de neutrinos en el mundo.

“Ésta fue la diapositiva que usamos en la conferencia de hace unos 20 años donde expusimos los resultados. En ese entonces no teníamos Power Point así que usamos este tipo de presentación”, bromea Kajita.

En la gráfica se muestra la diferencia entre las especulaciones (barras sombreadas) con los datos recaudados (líneas con puntos) tanto para los neutrinos de electrones (e) como para los neutrinos de muones (m).

Para comprobar definitivamente las oscilaciones, fue necesario complementar los datos de Súper-K con los del experimento SNO ubicado en Canadá. “El resultado más importante se obtuvo cuando combinamos los resultados de Súper-K con los de SNO; encontramos que el flujo de partículas medido por Súper-K era más grande que el de SNO”, afirma Kajita.

“Esa discrepancia se interpretó como la primera evidencia de oscilaciones de neutrinos solares”, continúa. A pesar de esto, todavía no se creía que realmente se hubieran observado tales oscilaciones, por lo que de 1999 a 2004 se utilizó el acelerador de partículas KEK de Japón para crear un haz artificial de neutrinos de muones en dirección a Súper-K, y así, comprobar desde ambos lados, la fuente y el detector, oscilaciones de neutrinos.

Este experimento se llamó K2K (KEK to Kamioka) y fue el primer experimento totalmente controlado artificialmente que dio resultados positivos para oscilaciones de neutrinos, además, los resultados coincidieron con las medidas previamente dadas por Súper-K.

K2K emitía neutrinos a 250km de distancia de Súper-K, y posteriormente, en 2010, se utilizó también el acelerador japonés de protones de alta energía J-PARC, para crear un haz de neutrinos más fuerte y a mayor distancia de Súper-K. El experimento, llamado T2K (Tokai to Kamioka), se ubica a casi 300km de Súper-K y continúa activo; gracias a él se obtuvo evidencia de tres tipos de efectos de oscilaciones de neutrinos.

Gracias a todos estos experimentos y sus resultados, se demostró la importancia del estudio de neutrinos, ya que con esta información se obtiene conocimiento directo sobre el Universo.

“Durante la evolución del Universo se produjeron increíbles números de neutrinos de todas las supernovas que se han creado; esos neutrinos producidos en el pasado deben de seguir propagándose en nuestro Universo, por lo que queremos observarlos y conocer así la posible historia del Universo”, menciona Kajita.

Takaaki Kajita en su visita al IFUNAM. Crédito: Pedro Zaldívar.

En camino a resultados más grandes

Debido al éxito de las investigaciones en neutrinos, Japón ahora trabaja en el experimento que busca ser casi diez veces más grande que el Súper-K: Hyper Kamiokande (Hyper-K). Ésta es una colaboración donde participan alrededor de 300 miembros de 17 países, entre ellos Canadá, Brasil, Japón, EEUU, Alemania y Corea del Sur.

Hyper-K medirá 68m de diámetro y 70m de altura, y con esto, brindará 0.26 y 0.19 mega toneladas de volumen fiducial respectivamente, es decir, el volumen central del tanque donde la señal de la partícula es más fuerte.

Con él se buscará estudiar oscilaciones de neutrinos solares, atmosféricos y artificiales por parte del acelerador J-PARC, así como investigar si se produce el decaimiento del protón y detectar por primera vez neutrinos provenientes de supernovas pasadas.

Se espera que su construcción inicie en abril de 2020, sin embargo, el proyecto se encuentra a la espera de indicaciones por parte del gobierno de Japón. Por otro lado, Kajita lidera el proyecto KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), el cual busca ser el primer observatorio subterráneo de ondas gravitacionales del mundo.

La construcción de KAGRA inició en 2010 y fue terminado en octubre del 2019. Se compone por dos brazos subterráneos de 3km de largo, mismos que son los interferómetros de láser. Dentro de ellos, el detector usa espejos criogénicos a 20ºK y suspendidos en tanques de vacío por sistemas anti-vibracionales; en este conjunto es donde se perciben las ondas gravitacionales.

El proyecto KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector)

Posteriormente, en el cuarto de control de KAGRA ubicado en la superficie, se obtienen y analizan los datos. El proyecto trabaja en colaboración con los experimentos LIGO, Virgo y LIGO-India, todos detectores de ondas gravitacionales, por lo que se crea una sinergia de información: “si detectamos las mismas señales de ondas gravitacionales en LIGO, Virgo y KAGRA, podríamos determinar con exactitud la locación de la fuente que las emite, es por eso que es tan importante trabajar juntos”, afirma Taakaki Kajita.

La física de astropartículas es un campo de estudio que se ha vuelto muy relevante en los últimos años, pues es el acercamiento más cercano que tenemos para conocer los misterios de nuestro Universo.

Los experimentos, proyectos y colaboraciones para estudiarlo siguen creciendo y gracias a ellos los investigadores se aproximan cada vez más hacia las respuestas. “Nuestro instituto es feliz de contribuir a la física de astropartículas y rayos cósmicos”, concluyó, en el Auditorio Alejandra Jáidar, Taakaki Kajita.

Takaaki Kajita en su visita al IFUNAM. Crédito: Pedro Zaldívar.

*Agradecemos el apoyo de la Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la CDMX para el desarrollo de este contenido, que forma parte del proyecto "Física para Todos desde el Instituto de Física".