martes, 17 de febrero de 2009

La clave para el origen del universo podrían ser los neutrinos y el Project X

No deberíamos estar aquí. No sólo leyendo esto, sino en cualquier lugar. No deberíamos existir.

Momentos después del Big Bang, cantidades iguales de materia y antimateria flotaban a través del universo, y cuando las partículas de cada una colisionaban, se aniquilaban entre sí, sin dejar nada, salvo la energía flotando libre en sus caminos.
De repente, algo cambió, permitiendo que existiese más materia que antimateria. Esa poca materia que escapó a la aniquilación se agrupó y con el tiempo formó las galaxias, los planetas... y eventualmente a todos nosotros.

Pero miles de millones de años después, nadie sabe exactamente cómo sucedió eso.

"Ese es el rompecabezas," dijo Boris Kayser, un teórico de la física de partículas del Fermi National Accelerator Laboratory, en Batavia, Illinois. "Usted habría esperado un universo vacío. Divertido. No es vacío. ¿Cómo fue que ocurrió?"

Sin embargo, algunos científicos dicen que tienen la respuesta en una nueva máquina llamada Project X que develará el misterio del origen del universo y de nosotros.

Kayser y sus colegas físicos Craig Dukes, de la Universidad de Virginia, y Gregory Felsmann-Dubois, de SLAC Nacional Accelerator Laboratory en California, hablaron ante una multitud en la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en Chicago acerca del más reciente frente de investigación en la física de partículas y la más reciente herramienta para alcanzarlo: Project X, una fuente intensa de protones que provee haces para varios programas de fisica. Las conversaciones se centraron en el estudio de los decaimientos extraños, fábricas B, y la posible clave para los universo-neutrinos.

Neutrinos afectando la simetría materia-antimateria:

La idea es que los neutrinos son una de las únicas partículas subatómicas abundantes en forma suficiente después del Big Bang con capacidad para afectar la simetría entre materia y antimateria al grado de permitir la formación del universo como se ve ahora. Si los neutrinos han interactuado de manera diferente con la materia y la antimateria, podría haber sido la partícula que dio lugar al dominio de la materia sobre la antimateria.

Pero eso habría sido un neutrino muy masivo, uno que ya no existe hoy en día y es imposible de recrear en las máquinas actuales. Incluso el Gran Colisionador de Hadrones, el LHC, el mayor experimento científico jamás construido y el acelerador de partículas más energético del mundo, no producirá energías lo suficientemente altas como para reproducir la gran masa de ese neutrino, mil millones de veces más pesado que un protón.

Por lo tanto, los físicos necesitan una nueva máquina, una que puede crear un gran número del más ligero primo de este neutrino, el cual ellos creen se comportará de la misma forma, para inferir cómo los neutrinos actuaban justo después que el big bang tuvo lugar.

Para este estudio, los físicos deben enviar los neutrinos a través de largas distancias analizando si cambian entre los tres posibles tipos (electrónico, muónico y tauónico) y a que tasa. La forma en que el neutrino "gira" determinará si se produce un electrón o un positrón.

La máquina para hacer eso es la propuesta Project X, que disparará un haz de neutrinos a 1300 km del Fermilab sobre un detector subterráneo en el centro de investigación DUSEL, en la mina de Homestake, en Dakota del Sur. Sería el más grande haz de neutrinos en existencia.

"El alcance de la física de este mecanismo sería bastante impresionante de hecho", dijo Kayser.

"Usted podría ver la diferencia entre materia y antimateria en estos procesos."

Cómo funciona Project X:

Project X sustituirá el complejo de inyección que data de hace 35 años del Fermilab, proporcionando una intensa fuente de protones para mantener un programa de descubrimiento en la ciencia del neutrino y en la física de precisión durante las próximas dos décadas.

Más de 78 instituciones han mostrado interés en la ciencia potencial que hace posible Proyect X y otras 25 instituciones han mostrado interés en el diseño del acelerador necesarias para impulsar la intensidad en la frontera.

El haz de protones de alta intensidad utilizará un LINAC superconductor de 8 GeV ,en conjunción con el existente pero modificado Reciclador e Inyector Principal del Fermilab, para generar más de 2 MW de potencia del haz en el rango de energía de 60 a 120 GeV al mismo tiempo que un segundo haz de línea de 650 kW a 8 GeV.

Project X apoyará la industrialización de cavidades de radio-frecuencia superconductoras y cryomódulos, así como crear un sistema de prueba para muchos componentes del Colisionador Lineal Internacional (ILC). Eventualmente, siempre y cuando se construya, Project X podrá alimentar a un anillo de amortiguación en el túnel Tevatrón para depurar algunos de los principales componentes del ILC antes de la instalación en profundidad, avanzando en la escala de tiempo física del ILC.

Project X también permitiría una actualización para una futura fábrica de neutrinos o un colisionador de muones por la duplicación de la tasa de repetición y el aumento de la duración del pulso del LINAC, creando un haz de energía de alrededor de 4 MW a 8 GeV.

La instalación de haces de protones propuesta unirá un LINAC superconductor de 8 GeV con los elementos existentes del complejo del acelerador de Fermilab. Iones de hidrógeno cargados y acelerados a través del LINAC de 8 GeV entrarían al Reciclador, donde los electrones serían extraídos y los protones almacenados. Protones del Reciclador luego entrarían en el Inyector

Principal. Allí los protones serían acelerados para su uso en experimentos de oscilación de neutrinos en líneas de base muy largas, tales como NOvA y DUSEL. Además los protones de 8 GeV del Reciclador podrían apoyar experimentos de precisión basados en kaones y muones, que podrían ejecutarse simultáneamente.

¿Qué puede hacer?:

Project X ofrecería un nuevo camino en el mundo de la física de neutrinos y de precisión inalcanzable para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Se abordarían estas cuestiones fundamentales con tres líneas de experimentos en niveles de energía que el Gran Colisionador de Hadrones no puede alcanzar:
-Creación de un intenso haz de neutrinos para disparar en un detector en DUSEL, el laboratorio más profundo del mundo en la mina de Homestake en Dakota del Sur.
-Creación de experimentos de precisión basados en kaones y muones incluyendo potencialmente un experimento de conversión de muoes a electrones, el cual probaría la física de la unificación de las fuerzas y la materia, y los extraños experimentos del decaimiento del kaon, lo que podría detectar una nueva física fuera del alcance del LHC.
-Permitir la actualización de la fábrica de neutrinos o del colisionador de muones, encaminados a más altas energías que la próxima generación del colisionador lineal, la ILC, propone.

Lo que sigue:

El proyecto podría concretarse tan pronto como 2013. En noviembre de 2008, una colaboración mundial multi-institucional, basada en el Fermilab se formó oficialmente para la fase de R&D del proyecto. Los colaboradores esperan tener el alcance del proyecto, el costo estimado y el calendario de trabajo listo para mediados de 2009, sentando las bases para un posible final de la Decisión crítica en 2009, el primer paso en el proceso de aprobación.por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

Datos útiles:

Fábricas B: Colisionadores que generan mesones B

SLAC: Stanford Linear Accelerator Center

LINAC: acelerador lineal

NOνA: experimento diseñado para la búsqueda de oscilaciones de neutrinos muon a neutrinos electrón. NOvA es la colaboración de 181 científicos e ingenieros de 26 instituciones.

DUSEL: Laboratorio subterráneo profundo de Ciencias e Ingeniería del Fermilab.

Neutrinos: el neutrino fue propuesto por primera vez en 1930 por Wolfgang Pauli para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones.
Son partículas subatómicas de tipo fermiónico, de carga neutra y espín 1/2. Tienen masa, pero no se conoce con exactitud. Su valor sería muy pequeño, habiéndose obtenido tan sólo cotas superiores con valores aproximadamente 200.000 veces más pequeños que la masa del electrón.

Su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.
La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.
No se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.

Oscilación de neutrinos: existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas (sabores): neutrino electrónico (ne), neutrino muónico (nm) y neutrino tauónico (nt) más sus respectivas antipartículas.
Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío.

Kaon (mesón K): Cualquier partícula del grupo de cuatro mesones que tienen un número cuántico llamado extrañeza.

Muon (mesón Mu): Es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un espín entero. En el Modelo estándar, los mesones son partículas compuestas de un número par de quarks y antiquarks.

Fuente: Tona Kunz, "Key to origin of universe could be neutrinos and Project X", Symmetry Magazine
Imagen: Fermilab

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