Universidad del Magdalena

¿De qué estamos hechos? ¿Cómo inició el Universo? ¿Qué secretos contienen las partículas de materia más pequeñas y elementales, y cómo pueden ayudarnos a comprender las complejidades del espacio y el tiempo? En la respuesta a estas preguntas trabajan diferentes científicos a nivel mundial, entre ellos se encuentran los pertenecientes a Fermilab (http://fnal.gov/), el laboratorio de física y acelerador de partículas más importante  de América, ubicado en Illinois, Estados Unidos. El experimento NOvA, el más importante que se lleva a cabo en Fermilab, busca determinar el papel que cumplen los neutrinos en la evolución del universo, y por ende, en la respuesta de las anteriores preguntas.

NOvA (https://novaexperiment.fnal.gov/) es una colaboración internacional formada por cerca de 250 científicos e ingenieros de 50 instituciones ubicadas en 7 países. El pasado mes de febrero, la Universidad del Magdalena fue aceptada como el miembro más reciente de esta colaboración. A través de un nuevo centro de control remoto de NOvA (ROC UniMagdalena), UNIMAGDALENA podrá contribuir con el estudio de los neutrinos, la partícula conocida menos estudiada, esto por sus características particulares.

Con NOvA, un experimento con una inversión que supera los $300 millones de dólares, financiados por el Departamento de Energía de los EU y la National Science Foundation, de ese país, se pretende comprender cómo se comportan los neutrinos y su relevancia en la evolución del universo. Los resultados del experimento generarán respuestas para muchos de los interrogantes que en la actualidad existen con respecto a la creación del cosmos.

Las partículas elementales forman todo lo que nos rodea, son consideradas los bloques de construcción más pequeños del universo. Todos los átomos que conocemos están formados por algunas de estas partículas: electrones y quarks; y estas, junto con la luz y los neutrinos, componen toda la materia conocida del universo.

Los neutrinos vienen en tres variedades: neutrinos muónicos, neutrinos electrónicos y neutrinos tauónicos. Estas variedades presentan oscilaciones entre sí, es decir que, durante el viaje de un neutrino por el espacio, este va cambiando de variedad. A este comportamiento se le conoce como: oscilaciones.

El experimento NOvA usa dos detectores con el fin de medir las oscilaciones entre neutrinos. El primer detector, conocido como detector cercano, se encuentra a 100 metros bajo tierra, en el complejo de Fermilab, ubicado a 50 kilómetros al oeste de Chicago, unos pocos grados fuera del eje central del rayo de neutrinos NuMI. Este detector de 300 toneladas tiene como fin medir el contenido inicial de neutrinos muónicos de NuMI, a menos de un kilómetro de su punto de partida.

Luego de que abandonan el complejo de Fermilab, los neutrinos de NuMI viajan en un tiempo de tres milisegundos por dentro de la Tierra, recorriendo 810 kilómetros, hasta que emergen a la superficie justo en la ubicación del llamado detector lejano, situado en la población norteña de Ash River, Minnesota, Estados Unidos. El detector lejano, de 14 mil toneladas, mide una vez más la cantidad de neutrinos muónicos del rayo NuMI en esa posición. Es importante destacar que esta estructura auto-sostenida de plástico (PVC) es la más grande del mundo.

De los trillones de neutrinos que se producen cada segundo en Fermilab, al final del experimento NOvA se habrán detectado unos mil aproximadamente.

Al comparar las dos mediciones, NOvA puede determinar la cantidad de neutrinos muónicos que oscilaron, se transformaron, a neutrinos electrónicos. La proporción de estas oscilaciones determina en gran medida el comportamiento, hasta ahora desconocido, de los neutrinos. Conocer en detalle los pormenores de estas oscilaciones implica que se pueden responder preguntas fundamentales del universo, por ejemplo ¿qué pasó con la materia justo después del Big Bang?

Fermilab explica sobre los detectores de NOvA que “están formados por 344,000 celdas de PVC plástico extruido, altamente reflectante y lleno de centellador mineral líquido. Cada celda en el detector lejano mide 3.9 cm de ancho, 6.0 cm de alto y 15.5 metros de largo. Cuando un neutrino golpea un átomo en el centellador líquido, libera una cascada de partículas cargadas. Cuando estas partículas se detienen en el detector, su energía se recolecta mediante el uso de fibras ópticas de desplazamiento de longitud de onda conectadas a foto-detectores de gran eficiencia cuántica, lo que permite recopilar hasta el 80% de las energías emitidas por las partículas cargadas. Usando el patrón de luz visto por los foto-detectores, los científicos de NOvA pueden determinar qué tipo de neutrino causó la interacción y cuál fue su energía. Estos resultados permiten conocer la identidad del neutrino que se detectó, contribuyendo así con el estudio de las oscilaciones”.

Además agrega que “el rayo NuMI produce pulsos de neutrinos cada medio segundo, aproximadamente, y todos los pormenores de medir estos pulsos requieren de computación de alta velocidad y gran precisión. Los detectores de NOvA, además de contar con un complejo sistema de foto-detectores, tienen un sistema de enfriamiento que los mantiene dentro de su rango óptimo de funcionamiento. Estos sistemas requieren de un continuo y complejo sistema de monitoreo”.

El papel de la Universidad del Magdalena

La Universidad del Magdalena fue admitida en NOvA, luego de hacer la solicitud de participación en el experimento. La participación en NOvA permite, a nivel local, tener diferentes oportunidades (turnos) de controlar todos los sistemas del experimento de manera remota, proceso que tienen una duración de cuatro días, ocho horas por día.

Esta casa de Estudios Superiores construirá el primer centro de control remoto en Colombia, el ROC Unimagdalena, del experimento NOvA, y de cualquier otro experimento de partículas de estas proporciones. Todo esto abrió la posibilidad que estudiantes de pregrado, maestría y doctorado puedan tener acceso al experimento e interactuar con científicos de prestigiosas universidades como Harvard y CalTech, entre otras instituciones de nivel mundial.

Las líneas de investigación que tendrán participación en NOvA desde la Alma Máter serán desarrolladas por estudiantes y profesores de las Ingenierías de Sistemas y Electrónica. Además con el convenio Sistema Universitario Estatal Nodo Caribe se podrá contar con estudiantes del doctorado en física de la Universidad del Atlántico y demás universidades que deseen sumarse.

“El impacto NOvA en UNIMAGDALENA será de grandes proporciones a través del cual podremos conocer las propiedades de los neutrinos y confirmar si al principio del tiempo se creó más materia que antimateria. Esto es de gran importancia porque sabremos de dónde venimos, por qué todo lo que vemos existe”, destacó el doctor en física Enrique Arrieta Díaz, líder del proyecto NOvA en UNIMAGDALENA, quien ha sido de gran apoyo e importancia para este logro de la Universidad.

Asimismo señaló que la comunidad universitaria a través de este experimento, cuya inversión es el presupuesto anual de Colciencias en Colombia, tiene la posibilidad de hacer investigación de nivel mundial, sumado a ello el reconocimiento de la Institución al ser parte de este proceso que dará respuesta a las preguntas más fundamentales que se ha hecho la humanidad.

“Las publicaciones de NOvA servirán para mejorar los índices institucionales de UNIMAGDALENA, ya que éstas son de alto impacto internacional, y con citaciones en las revistas más importantes del mundo de la física de partículas. Además, los estudiantes que se vinculen a NOvA tendrán una experiencia internacional que otras instituciones colombianas no pueden ofrecer”

Con la vinculación a NOvA, UNIMAGDALENA se une a otras instituciones colombianas de alto nivel, entre ellas la Universidad de los Andes, la Universidad Nacional y la Universidad de Antioquia, en la investigación internacional de física de partículas. Sin embargo, UNIMAGDALENA será la única institución colombiana con capacidad de controlar remotamente este tipo de complejos y costosos experimentos.