Fermilab: Un viaje en el tiempo, espacio y materia. Dr. Eduard De La Cruz Burelo Departamento de Física CINVESTAV-IPN

Transcripción

1 Fermilab: Un viaje en el tiempo, espacio y materia. Dr. Eduard De La Cruz Burelo Departamento de Física CINVESTAV-IPN La búsqueda por entender que compone todo lo que nos rodea, de que están hechas las cosas y que las mantiene unidas, han llevado al ser humano a buscar la manera de dividir las estructuras mas pequeñas que conocemos para ver que podemos encontrar; para ver si las podemos dividir; para ver si masa y energía son una misma cosa; para comprender cuales son las reglas que mantienen unidos a los bloques mas fundamentales de la materia. Esta es la esencia de la física experimental de partículas: explorar la estructura de la materia a su pequeñez más extrema y comprender las leyes de la naturaleza que rigen ese microcosmos. La idea de mirar en la estructura interna de la materia es tan simple como observar en un microscopio, donde la luz enfocada penetra lo más posible y nuestros ojos captan lo que rebota de esa luz, dándonos una idea de que es lo que tenemos ahí y que nuestros ojos a simple vista no pueden ver. Sin embargo, mientras mas profundo queremos observar necesitamos mayor energía para poder penetrar mas y mas en la estructura de la materia, y hemos avanzado tanto en el pasado siglo que ahora nuestros microscopios ya no usan simple luz, ni caben en una pequeña mesa, menos aun en un solo cuarto, ahora nuestros microscopios son estructuras complejas llamadas aceleradores de partículas que abarcan grandes extensiones de terreno y laboratorios nacionales completos, y que aceleran partículas como protones o electrones a velocidades mas allá del 99% de la velocidad de la luz y luego las hacen colisionar unas con otras para que estas penetren hasta lo mas profundo de ellas mismas y nos revelen los secretos que la naturaleza les ha confiado. Los más modernos microscopios ya no se compran en las tiendas, son proyectos monumentales de gran ciencia que requiere de muchos años de preparación, trabajo conjunto entre naciones y científicos de todo el mundo, inversiones cuantiosas y a grandes plazos, y de los cuales apenas existen un puñado en el mundo. Entre ellos esta el Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab para aquellos que conocemos este laboratorio nacional del departamento de energía de los Estados Unidos de América, localizado a unos 70 km al oeste de la ciudad de Chicago, en Batavia Illinois. Figure 1. Vista aérea de Fermilab.

2 Fermilab, fundado en 1967, aunque cuenta con una extensión considerable de terreno, quizás del tamaño de una colonia típica en México, presume en su mayor parte una reserva de búfalos, y terrenos en que se cultivan maizales durante el verano, una pequeña colonia para los investigadores visitantes, y muchos lagos artificiales que se congelan durante el invierno. El laboratorio, aunque cuenta con edificios en la superficie, tiene gran parte de sus instalaciones debajo de la tierra, especialmente sus aceleradores de partículas, maquinas colosales de varios kilómetros, que se encargan de acelerar materia y antimateria, hasta llevarlos a velocidades solo superadas por la velocidad de luz. Estas partículas de materia y antimateria se hacen dar vueltas en aceleradores circulares unas en dirección opuesta a las otras, y cuando alcanzan las velocidades cercanas a la luz, se hacen chocar unas con otras en puntos seleccionados donde maquinas de cientos de toneladas que engloban lo mejor de la tecnología en detección de partículas y que son el semillero de las maquinas de detección en medicina, como el tomógrafo o los rayos X, colectan la información que sale del choque, la cual se estudia para conocer como es la materia y antimateria en su interior?, que la constituye?, que la mantiene unida?, que nos puede decir de la naturaleza y del mundo en que vivimos?, que secretos nos esconde?. Durante mas de 40 años de operación, Fermilab a contribuido significativamente al avance científico, mostrando la existencia de nuevas partículas, estableciendo los experimentos que han dado origen a nuestros conocimientos de las leyes mas fundamentales de la naturaleza, y además siendo un foco tecnológico donde se avanza a pasos agigantados en el estudio de la interacción de las partículas y la materia. La derrama tecnológica de lugares como Fermilab es increíble y considerable, los mejores y mayores imanes superconductores se han creado en este laboratorio y esta tecnología se ha traspasado a empresas que ahora se encargan de su fabricación. El laboratorio también cuenta con un área radiológica para estudios del cáncer, donde se usan todas las ventajas de laboratorios de alta tecnología como Fermilab. Además dada la naturaleza en el gran manejo de datos que surgen en los experimentos, el laboratorio cuenta con uno de los centros de cómputo de mayor alcance y tamaño en el mundo, y trabaja en las nuevas tecnologías de manejo y trasmisión de datos que remplazarán al conocido internet. Figure 2. Terapia contra el cáncer, Fermilab Pero cual es el papel de México en esta historia científica y tecnológica?, bueno, Fermilab y México han estado ligados para bien desde principios de los años 80 y actualmente grupos mexicanos y nuevas generaciones de jóvenes científicos siguen preparándose en estas instalaciones de primera línea científica, teniendo acceso a experimentos de punta y siendo participes activos de los descubrimientos y avances científicos a los que Fermilab ha contribuido a lo largo de su historia. Fermilab en si mismo ha jugado un papel más que fundamental en el

3 nacimiento de la física experimental de partículas en México y en Latinoamérica. Hasta antes de la década de los 80 no existía en México mas que el estudio teórico de la estructura fundamental de la materia, el estudio experimental, dado los costos de estos grandes proyectos científicos y la necesidad de una inversión sostenida y de largo plazo, más allá de un plan sexenal, se veían bastante lejos de poder seguirse en nuestro país. En 1981, el director de Fermilab y mas tarde (1988) premio nobel de física Leon M. Lederman, se decidió a impulsar la participación de Latinoamérica en estos grandes proyectos científicos, siendo México el país donde se llevo a cabo en los primeros días de enero del 82, el primer Simposio Panamericano en Física de Altas Energías y Tecnología, en Cocoyoc Morelos, a donde asistieron varios premios nobel y grandes científicos de física de altas energías, y del cual surgieron las primeras iniciativas de grupos experimentales de partículas en México, Colombia, Brasil, y Argentina. A raíz de este simposio, jóvenes mexicanos fueron enviados a Fermilab a prepararse en la especialidad, científicos mexicanos ya establecidos realizaron estancias en el laboratorio, y con el tiempo grupos mexicanos se fueron formando y uniendo a los diferentes proyectos desarrollados en Fermilab. A 30 años de distancia, en México existen grupos experimentales de altas energías bien establecidos en más de media docena de instituciones, participando en proyectos de gran escala, y con acceso a instalaciones científicas de primera línea. La física experimental de altas energías, aunque aun joven en México, es un área científica fuerte y en expansión que participa activamente en una etapa importante del avance científico en el estudio de la estructura de la materia y las leyes que la rigen. México en los grandes descubrimientos en Fermilab La cantidad de descubrimientos y avances tecnológicos que se han dado a lo largo de los 45 años de funcionamiento de Fermilab son impresionantes y tratar de mencionar cada uno de ellos en forma breve seria en detrimento del trabajo de cientos de científicos que han dedicado su tiempo a estas tareas. Así que mas que revisar la historia de cada uno de estos avances científicos y tecnológicos, me concentrare en algunos de los trabajos más destacados de Fermilab en los cuales científicos mexicanos han sido participes desde que la participación mexicana en el laboratorio comenzó a dar frutos. 1. El descubrimiento del cuark top. Dentro del estudio de los componentes de la materia, Fermilab ha contribuido con el descubrimiento de los últimos dos ladrillos fundamentales de esta, los cuales actualmente se sabe que son 6 (denotados como u,d,c,s,b,t) y son llamados cuarks. El protón por ejemplo es la combinación de tres cuarks, dos quarks u y un cuark d es decir uud, mientras el neutrón nace de la combinación udd. Todas las partículas no fundamentales pueden explicarse mediante combinaciones de estos componentes

4 fundamentales. El cuark b fue descubierto en Fermilab en 1977, cuando México aun no participaba activamente en estos experimentos, sin embargo, el último de los cuarks, conocido como el cuark top y denotado por la letra t, fue descubierto hasta 18 años mas tarde. El descubrimiento del cuark t fue reportado conjuntamente el 2 de Marzo de 1995, por CDF y DZero, los dos experimentos del acelerador Tevatron en Fermilab. En el experimento DZero, un grupo mexicano del Cinvestav participa desde 1991, siendo un profesor (Heriberto Castilla Valdez) y un estudiante (Raúl Hernández Montoya), los únicos mexicanos participantes bajo el auspicio de una institución mexicana, firmantes del trabajo que reporta este importante descubrimiento y que se refleja en las mas de 1000 citas a este trabajo en la literatura científica. 2. Observación de la partícula X(3872) en DZero En los primeros días del 2005, y dentro de los primeros trabajos en la segunda etapa de funcionamiento del Tevatron, el experimento DZero reporto la observación de una nueva partícula, la cual actualmente no se sabe a ciencia cierta cual es su colocación dentro del modelo aceptado de los cuarks. Esta partícula, bautizada como X(3872), ya ha sido observada en muchos otros experimentos y ha dado lugar a un sin numero de trabajos científicos -mas de 250 citas en la literatura científicaproponiendo la explicación de su origen. Este trabajo fue realizado por el grupo de física del quark b en DZero, grupo en el cual el grupo mexicano participa, y fue basado en trabajo realizado por el grupo mexicano en el estudio de la partícula J/ que se desintegra en un par de muones y que aparece en la desintegración de la partícula X(3872). A la fecha, el grupo mexicano sigue trabajando en el estudio de las propiedades de esta nueva partícula subatómica. 3. Descubrimiento del barion pesado b Figure 3. El detector DZero donde el barion b fue descubierto. El descubrimiento de la partícula X(3872) y el problema de encontrarle cabida en el modelo aceptado de los quarks, dio origen a la inquietud por miembros del grupo mexicano de probar las predicciones del modelo de cuarks. Sin embargo, el numero de partículas predichas por el modelo ya estaba bastante limitado y solo algunas partículas muy pesadas no habían sido observadas en los experimentos previos al Tevatron. El estudio de la combinación de tres quarks dio lugar al descubrimiento del barion pesado b, descubrimiento en el cual miembros

5 y ex-miembros del grupo mexicano participaron activamente dirigiendo esta investigación. El descubrimiento de este nuevo integrante del modelo de quarks fue anunciado por Fermilab el 15 de Junio del 2007, y actualmente se encuentra listado como una de las grandes aportaciones del acelerador Tevatron en sus 28 años de funcionamiento, y como uno de los trabajos del experimento DZero con más de 100 citas en la literatura científica. 4. Descubrimiento del barion pesado b Figure 4. Ilustración de la desintegración de la partícula b. Jesús Hernández Orduña. 5. La búsqueda del bosón de Higgs Después del descubrimiento del barion pesado b, el grupo mexicano continúo trabajando en el estudio y búsqueda de bariones (combinaciones de tres cuarks) en el experimento DZero. Esta investigación dio origen al descubrimiento de otro barion pesado de la misma familia del descubierto previamente. Este nuevo barion recibió el nombre de b, y es el barion mas pesado conocido actualmente. Este descubrimiento fue anunciado por Fermilab el 29 de Agosto del 2008 y en la actualidad presenta más de 50 citas en la literatura científica, y fue seleccionado por el American Institute of Physics como uno de los mejores 10 trabajos científicos en física en el Así también, este trabajo represento la tesis doctoral del estudiante mexicano Una de las investigaciones más importantes de la física experimental de partículas es la búsqueda del boson de Higgs, la partícula indicativa del campo de Higgs responsable de la masa de las partículas fundamentales de la materia, como los cuarks y el electrón. El acelerador Tevatron en Fermilab fue actualizado en parte para la búsqueda de esta partícula, la ultima faltante en el modelo estándar de partículas, es decir, el modelo que describe el comportamiento de la materia y la energía en su escala más pequeña. Sin embargo, la producción directa de esta partícula en los aceleradores como el Tevatron es muy poco probable y difícil de observar, lo cual requiere de un trabajo de toma de datos y de selección de los mismos de forma continua y de muchos años de trabajo. En la actualidad el grupo mexicano en el experimento DZero esta conformado por tres profesores y cinco estudiantes. En conjunto el grupo mexicano ha contribuido con más de 10,000 horas de servicio en la toma de datos para la búsqueda del Higgs en Tevatron. Nuestros estudiantes han dejado de ser observadores y se han convertido en los expertos

6 encargados de los detectores usados en la toma de datos y los responsables directos de que la selección de estos se haga de forma eficiente y continua. Con estos datos, el experimento DZero ha logrado acotar las regiones masa en las que el Higgs puede existir, dando un paso más en la búsqueda de esta elusiva partícula responsable de la masa de la materia. Después de 30 años de aquel comienzo incierto para la física experimental de partículas en México, pero con el apoyo decidido de Fermilab y la visión de los científicos mexicanos de partículas ya establecidos en México, la física experimental de partículas ha avanzado considerablemente. Ya existen grupos de investigación establecidos en varias instituciones mexicanas, y los grupos se han diversificado, trabajando en diferentes aspectos de la física de partículas y en un gran numero de colaboraciones internacionales que dan origen a instalaciones científicas que un solo país no podría pagar, pues son proyectos emblemáticos de la humanidad, tan grandes y complejos como poner el hombre en la luna o construir una estación espacial. Estos son proyectos de gran ciencia en los que México participa de igual a igual con los otros países y donde se desarrollan proyectos de investigación que moldean nuestro conocimiento de la naturaleza en lo más extremo de la estructura de la materia. El proceso ha sido sin duda una aventura científica, pero una aventura científica en la cual lo mas interesante esta aun por venir, y seguramente Fermilab y México seguirán colaborando en esta aventura de gran ciencia. Nota: El autor quisiera agradecer la invitación de la Academia Mexicana de Ciencias para participar en la Reunión General de Ciencia y Humanismo. Sin duda un evento que permitirá compartir nuestro trabajo con otros científicos y conocer los logros de la comunidad científica mexicana.