Uno de los eventos más importantes del Año de la Ciencia debería ser el lanzamiento de un telescopio de neutrinos gigante en el lago Baikal. Tuvo lugar el 12 de marzo. Dmitry Naumov, Director Adjunto del Laboratorio de Problemas Nucleares del Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares, Doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas, habló con RG sobre la importancia de esta instalación para la ciencia rusa y mundial.
- Dmitry Vadimovich, para que el contribuyente entienda y acepte gastar casi 10 mil millones de dólares en la creación del famoso Gran Colisionador de Hadrones, los científicos empaquetaron el bosón de Higgs en una hermosa envoltura: la imagen de una "partícula divina". Cerró el famoso Modelo Estándar, reconocido como el logro más destacado de la física teórica del siglo XX, y explicó de dónde proviene la masa. Y cómo convencernos de que debemos dejar que millones de personas vayan a cazar algún neutrino incomprensible. Esta partícula casi no tiene masa. En resumen, ¿por qué quedan atrapados los neutrinos en las profundidades del lago Baikal?
Dmitry Naumov: Daría esta analogía. Los arqueólogos están realizando excavaciones para comprender la evolución de la humanidad, para comprender nuestra historia lejana. Entonces, el neutrino permitirá vislumbrar la historia del Universo. Descubra lo que sucedió en él hace millones e incluso miles de millones de años. Cómo nacieron y se desarrollaron las galaxias. Son los neutrinos los que pueden convertirse en una herramienta para reconstruir estos eventos de larga data.
- ¿No es posible para telescopios y observatorios terrestres gigantes ubicados en el espacio?
Dmitry Naumov: En primer lugar, estos telescopios no pueden ver todo. El hecho es que la luz puede no salir de las regiones densas y calientes del Universo o la señal puede cambiar más allá del reconocimiento. En segundo lugar, para que los telescopios ópticos tengan un lugar donde mirar, deben especificar la dirección exacta. Después de todo, el cielo es enorme, los telescopios no pueden permitirse el lujo de hurgar en el cielo infinito en busca de objetos interesantes. Necesitan las direcciones más precisas posibles para concentrarse allí tanto como sea posible y realizar observaciones de un día a otro, de un mes a otro. Este es un proceso largo y laborioso. Entonces, los neutrinos son los detectores de direcciones espaciales. De hecho, ante nuestros ojos, está naciendo una nueva ciencia: la astronomía de neutrinos. Hasta hace muy poco parecía una fantasía, pero ahora ya es una realidad.
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Dmitry Naumov: El juego se basa en la característica principal del neutrino: interactúa muy débilmente con la materia, que es casi transparente para esta partícula. ¿Cómo atraparla si evita cualquier contacto? Digamos que, desde el Sol, estas partículas llegan a la Tierra y trillones de neutrinos por segundo pasan por cada centímetro cuadrado. Pero no los notamos en absoluto. Somos como un espacio vacío para ellos. Por ejemplo, para atrapar la mitad de los neutrinos emitidos por el Sol, sería necesario llenar toda la región del espacio exterior con plomo de nosotros a la estrella más cercana Alpha Centauri.
- Neutrino te permitirá mirar en la historia del Universo, descubrir qué sucedió en él hace millones e incluso miles de millones de años, cómo nacieron y se desarrollaron las galaxias.
Dmitry Naumov: Tal debilidad de interacción desconcertó a los físicos: ¿cómo verlo, cómo trabajar con él? El físico alemán, el premio Nobel Wolfgang Pauli, que inventó el neutrino de forma puramente teórica, generalmente creía que nunca podríamos ver esta partícula. ¡Pero no subestimes el ingenio de los experimentadores! Aprendieron a atrapar esta asombrosa partícula y reconstruir la historia del Universo. Además, ¡la debilidad de la interacción de neutrinos resultó ser muy útil!
- ¿Cómo lograste convertir esta desventaja en dignidad?
Dmitry Naumov: Aquí tenemos que remontarnos miles de millones de años, cuando las primeras galaxias recién estaban emergiendo en nuestro Universo. Entonces cada estrella luchó desesperadamente por su existencia. Los más afortunados devoraron a sus pequeños vecinos y se hicieron más grandes. Esto sucedió hasta que la estrella insaciable se convirtió en un agujero negro, que casi ya no brilla. Pero ya invisible, continúa devorando a sus vecinos, aumentando su masa a millones e incluso miles de millones de masas solares. Además, el material que cae sobre el agujero se calienta y brilla intensamente. Esta maravilla del mundo se llama "núcleo galáctico activo".
¿Qué es importante enfatizar? Ni las ondas electromagnéticas, ni los protones, ni los electrones, ni ninguna otra cosa pueden salir de tal infierno sin perder la energía inicial y la dirección del movimiento. Solo neutrinos. Este es su fenómeno. Es por eso que la debilidad de su interacción es una gran ventaja. Lo más importante es que los neutrinos vuelan a la Tierra sin cambios, lo que significa que llevan información valiosa sobre los eventos en el Universo que tuvieron lugar hace miles de millones de años, así como sus direcciones.
- Durante casi diez años en la Antártida, el telescopio estadounidense IceCube ha estado capturando neutrinos. A lo largo de los años, la captura, francamente, no es rica, alrededor de 100 partículas. ¿Qué se puede reconstruir con ellos?
Dmitry Naumov: El experimento del Polo Sur logró hacer un descubrimiento notable. Los científicos han descubierto que existen neutrinos con energías enormes que exceden las energías de los neutrinos solares en cientos de millones e incluso miles de millones de veces. Esto significa que en algún lugar del Universo hay aceleradores naturales capaces de acelerar partículas a tales energías de las que nosotros en la Tierra con nuestros aceleradores somos completamente incapaces. ¿Es este un descubrimiento importante?
- Creo que sí.
Dmitry Naumov: Entonces, incluso un neutrino es suficiente para él, y 100 es solo un regalo de la naturaleza. Pero, ¿dónde se encuentran estos aceleradores naturales? ¿Qué mecanismos físicos los gobiernan? Si bien existen diferentes hipótesis. Y esperamos que los neutrinos que hemos capturado sean capaces de señalar con precisión la dirección en la que deberían mirar los telescopios ordinarios.
El experimento del Polo Sur utiliza hielo como medio con el que interactúan los neutrinos. Pero el hielo re-dispersa fuertemente la luz, por lo que todavía es difícil especificar con alta precisión la dirección donde nació el neutrino. Aquí es donde entra en juego el telescopio de neutrinos Baikal. Tiene la precisión de determinar la dirección varias veces mejor que en un telescopio de hielo. ¡Y hay esperanza de encontrar fuentes de neutrinos!
- ¿Cómo se ve nuestro telescopio junto al American IceCube?
Dmitry Naumov: Parece decente. Comenzamos a construir el telescopio en 2015 e IceCube comenzó a trabajar en 2010. Por lo tanto, somos todavía más pequeños, pero bastante. El telescopio de neutrinos Baikal ya es el más grande del hemisferio norte con un volumen efectivo de 0,35 kilómetros cúbicos. Este año nos pondremos al día con el "sureño" por este indicador, llevando el volumen a 0,4 kilómetros cúbicos. En el futuro, esta cifra será de aproximadamente un kilómetro cúbico. Al mismo tiempo, como dije, la precisión para determinar la dirección del telescopio Baikal es muchas veces mejor.
Quiero enfatizar un punto fundamental. Aunque la competencia siempre existe, así es como funciona el mundo moderno, los científicos entienden que es mucho más efectivo trabajar juntos. Por lo tanto, nuestro telescopio Baikal y el estadounidense, así como el telescopio en construcción en el mar Mediterráneo KM3NeT, están haciendo una causa común. Estamos unidos en una sola Red Global de Neutrinos.
- El telescopio estadounidense cuesta 270 millones de dólares y el nuestro es varias veces menor. ¿Por qué?
Dmitry Naumov: Tuvimos suerte. En Baikal, dos meses al año, la superficie del lago está cubierta con una capa de hielo de un metro. Esto nos permite instalar el telescopio de forma económica y sencilla e incluso reparar piezas rotas. En el Polo Sur, los colegas tienen que calentar agujeros en el hielo con un diámetro de aproximadamente un metro y una profundidad de casi tres kilómetros para sumergir sus detectores allí. Es muy caro. Además, la entrega de detectores a Baikal con una infraestructura ferroviaria desarrollada es mucho más fácil y económica que las operaciones especiales para la entrega de equipos al Polo Sur.
- ¿Quién participó en la creación de nuestro telescopio?
Dmitry Naumov: Los científicos del Instituto de Investigación Nuclear de Moscú de la Academia de Ciencias de Rusia fueron pioneros en nuestro país y en el mundo. Llevan creando esta línea de investigación desde los años ochenta. Y ahora, junto con el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, juegan un papel de liderazgo en el proyecto. Además, científicos e ingenieros de la Universidad Estatal de Irkutsk, la Universidad Técnica Estatal de Nizhny Novgorod, la Universidad Técnica Marina del Estado de San Petersburgo, el Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad Técnica Checa (Praga, República Checa), la Facultad de Matemáticas, Física y Informática de la Universidad que lleva el nombre de Ya.A. Komensky (Bratislava, Eslovaquia), Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (Cracovia, Polonia), EvoLogics GmbH (Berlín, Alemania).
Cómo un telescopio captura neutrinos
Para atrapar un neutrino, necesita un gran volumen de la sustancia más transparente con la que interactúa. Además, el telescopio debe protegerse de varios procesos de fondo. Para ello, la instalación se sumerge a una profundidad de 750 ma 1,4 km. Una cadena de 36 módulos ópticos (fotomultiplicador y electrónica) está anclada al fondo del lago. Cuando las partículas pasan a través de la columna de agua, parte del neutrino "tropezará" con el núcleo de la molécula de agua. Como resultado de esta interacción, nacen nuevas partículas que brillarán con la radiación azulada de Cherenkov. Está registrado por los módulos ópticos del telescopio. Ahora el volumen efectivo de agua de la instalación, que está involucrada en la búsqueda de neutrinos, asciende a 0,35 km cúbicos, y en el futuro crecerá a un km cúbico. El número total de módulos ópticos superará las 2300 piezas.
En el mundo científico, hay grandes pasiones en torno a los neutrinos. El caso es que los físicos durante más de diez años no pudieron entender por qué la ley de conservación de la energía no se cumple en uno de los fenómenos físicos más fundamentales. La cuestión era tan aguda que en 1931 al famoso físico danés Niels Bohr se le ocurrió una idea revolucionaria de no conservación de la energía. Sin embargo, había otra explicación: la energía "perdida" es llevada por alguna partícula desconocida e imperceptible. La hipótesis de su existencia fue propuesta en 1930 por el teórico alemán Wolfgang Pauli. Pero nunca se descubrirá, ya que no interactúa con nada. Sobre esto, el científico hizo una apuesta por una caja de champán con su amigo. Y el 15 de junio de 1956, recibió un telegrama de los físicos estadounidenses Reines y Cowen informándole que habían descubierto una nueva partícula: el neutrino.
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