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El Instituto de Física finaliza la conmemoración del centenario del natalicio del Dr. Marcos Moshinsky con el noveno coloquio a cargo del Dr. Eric Vázquez Jáuregui, investigador del Instituto de Física de la UNAM, quien recibió en el año 2020 la cátedra de la Fundación Moshinsky, y que actualmente desarrolla líneas de estudio como la detección directa de materia oscura, la física de astropartículas en laboratorios subterráneos, así como la física experimental de neutrinos.

La exposición, que se centró en su reciente trabajo de investigación, y titulada “Midiendo las propiedades de los neutrinos”, comenzó con los antecedentes del área, en donde explicó que la física de neutrinos está por todos lados. “Después de los fotones, los neutrinos son las partículas más abundantes del Universo pues el Sol, la explosión de una estrella, los reactores nucleares y hasta nosotros somos fuentes de ellos”, explicó. De hecho, en el espacio que ocupa una persona de alrededor de 80kg hay cerca de unos 30 millones de neutrinos que fueron producidos en el Big Bang.

Para poner en contexto la investigación científica de los neutrinos, el doctor mencionó los antecedentes de área. “El problema de los neutrinos apareció con el decaimiento beta, donde se observaba un decaimiento de dos cuerpos cuando en realidad es de tres. Cuando un núcleo pesado decaía en otro, emitía un electrón o un positrón,” apuntó el doctor Vázquez Jáuregui, quien agregó que, en una distribución del espectro de energía, parecía como si se violara la conservación de la energía.

Asimismo, mencionó a científicos importantes que comenzaron el camino de la investigación de neutrinos, como Wolfgang Pauli, quien propuso la existencia de una partícula extra con una masa muy pequeña que no se observaba en el decaimiento de dos cuerpos y que se llevaba parte de la energía, a la que llamó neutrón. Posteriormente, cuando James Chadwick descubrió el neutrón, notó que era muy pesado para los cálculos que había hecho Pauli y, por lo tanto, no era la partícula propuesta por el físico de origen austríaco. Fue el físico italiano Enrico Fermi quien le cambió el nombre a lo que conocemos ahora como neutrino, además de desarrollar la Teoría de las interacciones débiles.

Sin embargo, de manera experimental, los neutrinos continuaron siendo inobservables debido a su interacción pobre, por contar con una pequeña sección eficaz. “Para poder detener a los neutrinos necesitamos 22 años luz de plomo”, mencionó el investigador del Departamento de Física Nuclear y Aplicaciones de la Radiación del IFUNAM. Esto implica que, para su observación, se necesitan “grandes detectores con mucha masa sensible a los neutrinos y flujos muy intensos, una fuente muy intensa de neutrinos. Por eso se le llama la partícula fantasma”, apuntó.

Posteriormente, mencionó la primera detección de los neutrinos, en 1956, realizada por Frederick Reines y Clyde Cowan en un reactor nuclear, a través de una técnica basada en el decaimiento beta inverso, que a la fecha se continúa utilizando. También abordó sobre la medición de los neutrinos solares, específicamente el trabajo hecho por John Bahcall en los años 60, con el “Modelo Estándar Solar, en donde se planteaban todas las interacciones que hay en el Sol y la correspondiente emisión de los neutrinos”, explicó. Habló sobre la primera detección de los neutrinos solares a través del experimento de Raymond Davis Jr., que consistía en un tanque con 60 toneladas de un fluido limpiador que tenía cloro y estaba colocado bajo tierra. De éste, mencionó que “había un problema, pues sólo se observaba 1/3 de lo que predecía el Modelo Solar. La pregunta era qué es lo que estaba mal: los experimentos, la teoría o, algunos más aventurados, dijeron que lo que estaba mal eran los neutrinos”.

El investigador explicó el porqué los experimentos se desarrollan bajo tierra. “En la superficie, los rayos cósmicos, los protones y las partículas más pesadas que golpean la atmósfera producen rayos cósmicos secundarios. Estas partículas son menos abundantes que los neutrinos, pero pueden imitar los eventos que estamos buscando. Se utiliza la tierra como un filtro para eliminar los rayos cósmicos”, agregando que así es como se detienen, mientras que los neutrinos, al tener una sección eficaz pequeña, la atraviesan como si no existiera.

Partiendo de esto, se desarrolló el experimento Sudbury Neutrino Observatory (SNO), que es una esfera de 12 metros de diámetro que tenía mil toneladas de agua pesada, es decir el hidrógeno de la molécula de H2O se sustituyó por deuterio. Actualmente, este detector ha sido remodelado y cuenta con centellador en lugar de agua. “Este experimento permitió medir todos los neutrinos que llegaban del Sol. Es decir, no sólo los neutrinos del electrón, sino que al tener agua pesada podía medir los neutrinos del muón y del tau”, mencionó al explicar la importancia de este trabajo y agregó que, “cuando se combinaban los flujos de neutrinos del electrón, del muón y del tau, estos estaban de acuerdo con el Modelo solar. SNO midió todos los neutrinos del electrón, del muón y del tau y confirmó que el Modelo Solar estaba correcto, pues el problema no era el experimento ni la teoría, sino los neutrinos”, atribuyendo que, al viajar del Sol a la Tierra, éstos cambian, en lo que hoy conocemos como las oscilaciones de los neutrinos, la investigación que en 2015 mereció el premio Nobel de Física.

Posteriormente, resaltó uno de los experimentos más populares en la actualidad, Borexino, ubicado en el laboratorio Gran Sasso, en Italia, en el que se han podido medir los eventos que vienen de todas las cadenas de decaimiento de interacción en el Sol, como los neutrinos del boro 8 o del berilio 7, mismos que han sido estudiados gracias al nivel tan bajo de radiactividad y a que se ha mantenido la temperatura del detector de manera muy constante, con pocas fluctuaciones.

Seguido de esto, el Dr. Vázquez Jáuregui habló de los reactores nucleares como otra fuente de neutrinos, desde los comerciales hasta los de investigación. Aquí los neutrinos son producto de las reacciones (decaimientos) que ahí ocurren, donde se utiliza uranio y plutonio. De ellos, enlistó experimentos como el Poltergeist Neutrino Experiment o el Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector (KamLAND).

Asimismo, mencionó que, mientras los neutrinos solares y de reactor tienen energías en el rango de los MeV, los producidos por aceleradores poseen energías de GeV y de TeV. En el rango de los MeV existe un proceso llamado dispersión elástica coherente neutrino-núcleo, donde el neutrino “ve” al núcleo como un todo y lo golpea de forma elástica. Esta es una interacción débil, de corriente neutra, como se dice cuando la interacción es mediada por el bosón Z^0.

Como parte de sus investigaciones para resolver preguntas sobre la naturaleza de los neutrinos, como conocer su masa y escala absoluta, o si se trata de partículas de Dirac o de Majorana, trabajará en la colaboración Scintillating Bubble Chamber (SBC) para estudiar neutrinos de reactores, donde hay aproximadamente 33 investigadores de Estados Unidos, Canadá y México. Este grupo de científicos se encuentra desarrollando lo que se conoce como “cámara de burbujas”, un experimento que “consiste de un envase con un fluido sobrecalentado (argón, en este caso), es decir cuya temperatura está ligeramente arriba del punto de ebullición y en un estado semiestable, donde cualquier partícula que pase e interactúe con el material, puede hacerlo ebullir, es decir el golpe de una partícula sobre un núcleo o sobre un electrón puede producir una ebullición que se inicia con una burbuja”, apuntó. A través de esta estrategia los investigadores capturan imágenes de las burbujas, para luego analizar las interacciones puntuales por el depósito de energía de una partícula, algo que ha desarrollado dentro de la colaboración PICO para búsqueda de materia oscura. Cabe destacar que este tipo de detectores son insensibles a las interacciones electromagnéticas, es decir a los rayos gamma y electrones, por lo que es capaz de observar “una señal acústica, centelleo y la imagen en las cámaras al momento de producirse un retroceso nuclear. Tenemos tres canales para observar las interacciones”, explicó el investigador.

Es así que el proyecto SBC contendrá una cámara de burbujas con argón que se comportará como un centellador, con lo que se buscará observar retrocesos nucleares. La estrategia que tiene el doctor en conjunto con su equipo es construir y calibrar un detector en el laboratorio Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) y (Fermilab) que, posteriormente, pueda ser instalado en un reactor en México, ya sea en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) o en la Central Nuclear Laguna Verde. Al mismo tiempo, se construirá otro en Canadá dentro del laboratorio SNOLAB (Sudbury Neutrino Observatory Laboratory), a 2km bajo tierra, para estudiar la materia oscura.

Entre los estudios preliminares que han realizado para determinar el alcance que tendrá este detector se encuentran las mediciones de alta precisión del ángulo de mezcla débil. También se podrán hacer búsquedas de bosones Z-prima o medir el posible momento magnético del neutrino. Esta fue la primera publicación de colaboración SBC, y que muestra el potencial de este detector, que podría resultar en la primera observación de neutrinos en México.

Asimismo, el Dr. Vázquez Jáuregui, junto con su equipo, se encuentra trabajando en la construcción de un detector con centellador líquido para caracterizar los ruidos de fondo en la vecindad del reactor. Dentro de las actividades que se realizan en el laboratorio de instrumentación del IFUNAM se encuentran la caracterización de los detectores de silicio y otros componentes, para realizar conteos de baja radiación y así conocer los niveles de ruido. “Esto es parte de un programa de conteo de baja radiación, que será realizado en el IFUNAM”, comentó el doctor.

Para concluir, el doctor mencionó que “los neutrinos ofrecen una oportunidad única para estudiar física del Modelo Estándar de alta precisión y física más allá del Modelo Estándar”.