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No es su físico modelo estándar
La profesora Janet Conrad está en una búsqueda para encontrar la escurridiza partícula fantasma y cambiar la física de cabeza. 23 de octubre de 2018
Foto ilustrativa de Janet Conrad Foto original de Cassandra Klos
En el verano de 2005, en un banquete organizado en un castillo sueco para algunos de los físicos más importantes del mundo, Janet Conrad hizo una apuesta.
Durante varios cursos y mucho vino, Conrad, entonces profesor de física en la Universidad de Columbia, discutió en broma con el premio Nobel y físico del MIT Frank Wilczek sobre el bosón de Higgs, una partícula fundamental que se predijo que existía según el modelo estándar de física, pero que había evadido todo intentos de detección. Encontrar el Higgs sería clave para resolver el misterio de cómo las partículas adquieren masa.
Los físicos que esperaban observar la escurridiza partícula ponían sus esperanzas en el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo, entonces en construcción en túneles cavernosos cerca de los Alpes suizos. El LHC fue diseñado para unir haces de protones e iones pesados a una velocidad cercana a la de la luz. Como consecuencia, los físicos esperaban ver signos del bosón de Higgs, junto con otros nuevos fenómenos físicos.
Conrad, un inconformista autoreconocido, planteó una pregunta inconformista: ¿Qué pasaría si el LHC no detectara el Higgs? Tenía razones para creer que, si bien la partícula debería existir, existiría en un rango de energía que el detector no podría captar. Después de un animado debate, se hizo una apuesta, garabateada en un bloc de notas: un descubrimiento de Higgs favorecería a Wilczek, mientras que ninguna detección reivindicaría a Conrad. Lo que está en juego: réplicas de chocolate de la medalla Nobel, disponibles solo en el Museo Nobel en Suecia.
El 4 de julio de 2012, Conrad perdió la apuesta cuando los físicos informaron que el LHC había detectado una nueva partícula parecida al largamente buscado bosón de Higgs, un descubrimiento que resonó en todo el mundo de la física. Cuando se supo la noticia, Conrad estaba en el Fermi National Accelerator Laboratory en las afueras de Chicago, en medio de un experimento. Reclutó a un amigo de la Universidad de Estocolmo para comprar los chocolates, que fueron transportados a Nueva York por un físico visitante de la Universidad de Columbia y luego a Chicago por un posdoctorado que se dirigía a Fermilab. Luego, Conrad los llevó de regreso a Cambridge de camino a una conferencia, dejando 10 premios Nobel de chocolate prístinos y sin derretir con su hermana, quien los entregó a la oficina de Wilczek en el MIT.
El New York Times presentó la apuesta en un pequeño artículo, junto con una caricatura que representaba la compensación bizantina, una copia enmarcada de la cual cuelga en la pared de la oficina del MIT de Conrad. Ella apostó a que el Higgs no existiría en las energías que el LHC podría sondear, explica, porque eso era mucho mejor que el Higgs existente [allí], en mi opinión.
En otras palabras, no encontrar el bosón de Higgs donde tantos físicos esperaban que estuviera habría expuesto una grieta sísmica en el modelo estándar, una teoría en la que la comunidad física se ha basado durante décadas para describir las fuerzas y partículas fundamentales en el universo. Tal reorganización teórica habría revelado un mundo de nuevas incógnitas físicas.
Casandra Klos; Peluquería y maquillaje de Laura Dillon
Es una partícula cuya personalidad me gusta; es una partícula muy independiente.
No creo que nuestro modelo estándar tenga mucho sentido, dice Conrad. Encaja muy bien: puedes tomar partes y predecir otras partes, lo cual es algo realmente impresionante. Y sin embargo… [incluye] valores que no podemos explicar. Estoy convencido de que esta no es toda la historia. Y estoy realmente interesado en hurgar para descubrir cuál es la historia completa.
Conrad, quien se unió a la facultad de física del MIT en 2008, ha pasado su carrera investigando resultados experimentales anómalos que otros han descartado o aceptado sin cuestionar como un hecho. Lo que encuentro más convincente es cuando un experimento ha visto algo interesante y quiero averiguar: ¿cometieron un error o la naturaleza realmente nos está diciendo algo nuevo? ella dice. Eso para mí es lo más divertido.
Esa fascinación por las anomalías la ha llevado a la búsqueda de una partícula mucho más escurridiza que el bosón de Higgs. Y si lo encuentra, de hecho le dará la vuelta al modelo estándar de la física.
cazador de neutrinos
A mediados de la década de 1990, los físicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México informaron sobre una señal inesperada y aún controvertida en el detector de neutrinos de centelleo líquido (LSND). El detector está diseñado esencialmente para contar neutrinos, partículas infinitesimalmente pequeñas y casi indetectables que se cree que superan en número a todas las partículas de materia ordinarias del universo, como electrones y neutrones, en mil millones a uno. A pesar de su omnipresencia, los neutrinos a menudo se denominan fantasmales porque son endiabladamente difíciles de medir: además de ser extremadamente pequeños, no tienen carga, por lo que rara vez interactúan con la materia ordinaria y pueden fluir a través de cada célula de nuestro cuerpo, incluso a través de miles de toneladas. de granito y acero, sin alterar una sola molécula.
El LSND consiste en un tanque del tamaño de un autobús urbano, lleno de aceite mineral, y está diseñado para recibir un haz de neutrinos de un acelerador cercano. Los detectores de luz que recubren el tanque registran pequeños destellos producidos por los neutrinos entrantes que chocan contra los núcleos de carbono en el aceite, que es un centelleador natural, es decir, se vuelve luminiscente cuando es excitado por la radiación ionizante. El patrón y el momento de las interacciones pueden decirles a los científicos algo sobre el tipo de neutrinos que fluyeron a través del tanque.
De acuerdo con el modelo estándar, los neutrinos deberían existir en tres variedades o sabores: un neutrino electrónico, un neutrino muón y un neutrino tau. Sin embargo, en 1994, los físicos informaron que el LSND había contado más neutrinos electrónicos de lo previsto. Los físicos propusieron una teoría impactante: que esto podría explicarse por la existencia de una partícula completamente nueva, un neutrino estéril, que interactúa solo con la gravedad y no con la materia ordinaria.
Los resultados fueron recibidos con intenso escepticismo. Si existiera el neutrino estéril, indicaría un fenómeno que el Modelo Estándar no puede explicar. También podría ayudar a explicar la materia oscura, que constituye aproximadamente un tercio de la materia del universo pero no emite ni refleja luz. Mientras que otros descartaron los resultados como una falla que debe tener alguna explicación racional de acuerdo con las reglas establecidas de la física, Conrad tomó la anomalía como una oportunidad.
Poco antes, había terminado su trabajo de posgrado en física de alta energía en la Universidad de Harvard. Casi todas las personas que conocía en su campo se dirigían a unirse a grandes colaboraciones de científicos que trabajan con aceleradores de partículas para buscar el quark top, la más masiva de todas las partículas elementales predichas por el Modelo Estándar, que aún no había sido detectada. Conrad, yendo contra la corriente, había decidido emprender la búsqueda del neutrino estéril y comenzó un posdoctorado en la Universidad de Columbia en 1993.
Recuerdo haber tomado esta decisión en mi vida y que un colega me dijera: 'Janet, eres demasiado buena para estar haciendo eso', dice Conrad. Pero es una partícula cuya personalidad me gusta; es una partícula muy independiente.
En 1995, Conrad se unió a la facultad de física de Columbia y comenzó a formar su grupo de investigación. También plantó las semillas de un nuevo detector de partículas diseñado específicamente para probar o refutar los resultados del LSND: el experimento Mini Booster Neutrino, o MiniBooNE. Su idea era enviar haces de neutrinos por un túnel de 500 metros hasta un enorme tanque esférico, de unos 12 metros de diámetro, revestido con 1.200 sensores de luz y lleno con 800 toneladas de aceite mineral. Aunque rara vez interactúan con otra materia, los neutrinos que chocaron con un átomo de carbono en el aceite mineral dejarían rastros de energía, lo que permitiría identificar su sabor. En realidad, se sabe que los neutrinos oscilan de un sabor a otro a medida que se mueven por el espacio, pero mientras oscilen entre los tres sabores estándar, el número total debería permanecer estable. Una caída en el total sugeriría que algunos se han transformado en neutrinos estériles, que son aún más difíciles de detectar; un aumento en el total sugeriría que algunos neutrinos estériles se han transformado en los otros sabores. Al contar el tipo y la cantidad de neutrinos que MiniBooNE detectó a altas energías, Conrad y su equipo pudieron buscar signos de excesos extraños e imprevistos, en línea con los resultados de LSND a bajas energías.
Conrad aseguró los fondos para construir el detector en Fermilab, donde Booster, un acelerador de partículas con una circunferencia de 474 metros, produciría los neutrinos para ser analizados. En 2007, ella y una colaboración en expansión de MiniBooNE informaron sus primeros resultados: no parecía haber un exceso de neutrinos electrónicos, al menos en los rangos de alta energía que predijeron los resultados del LSND en los rangos de baja energía. Estos resultados iniciales parecían refutar la existencia de un cuarto neutrino estéril. Pero MiniBooNE registró un misterioso exceso de neutrinos electrónicos a energías más bajas, un hallazgo que los investigadores no pudieron explicar.
Casandra Klos
La búsqueda del neutrino estéril está lejos de terminar, ya que múltiples experimentos han arrojado resultados contradictorios. Una fuente de esos resultados es el Observatorio de Neutrinos IceCube, con sede en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur. IceCube está compuesto por más de 5000 sensores de luz, colgados de cuerdas verticales que se extienden más de 2450 metros hacia el interior del hielo antártico. El detector está diseñado para recoger rastros de neutrinos que no se originan en aceleradores de la Tierra sino en fuentes extremas en el cosmos, como los núcleos de estrellas en explosión y los centros de galaxias activas. Cuando atraviesan el hielo, producen muones, partículas secundarias cargadas eléctricamente que emiten luz. El análisis de la luz captada por los sensores de IceCube permite a los científicos contar los neutrinos y determinar el ángulo en el que atraviesan el hielo. Conrad se encuentra entre los 300 científicos que buscan signos de neutrinos estériles, junto con otros fenómenos relacionados con los neutrinos, en las partículas que pasan por el detector. (En septiembre de 2017, por ejemplo, rastrearon un neutrino cósmico de alta energía hasta su origen, un blazar a unos 3.700 millones de años luz de distancia).
En 2016, la búsqueda de IceCube del neutrino estéril resultó vacía: los científicos no encontraron ninguna señal de la partícula entre los 100 000 eventos de neutrinos detectados por el detector. Llegaron a la conclusión con un 99 por ciento de certeza de que la partícula no existe en el rango que podrían explorar.
Y, sin embargo, todavía existe la posibilidad de que esté ahí fuera. En junio, Conrad y sus colegas de MiniBooNE anunciaron que el experimento había detectado nuevamente un exceso de neutrinos electrónicos en el rango de baja energía, y esta vez estaba claro que los resultados no eran una casualidad estadística sino una señal probable de algo más allá de los tres neutrinos principales. sabores
Con la sugerencia de evidencia de neutrinos estériles, lanzó una bomba al sujeto, y ahora tendremos que ver si explota, dice Wilczek. Si su indicación se mantiene, sacudirá algunas de nuestras ideas sobre cómo lograr una teoría unificada de las fuerzas fundamentales. Significará que no estamos tan cerca de resolver el problema como algunos de nosotros pensamos que estamos.
No es el neutrino estéril que estábamos buscando, pero puede ser uno de todos modos, dice Conrad sobre los nuevos resultados. Y es una clara señal de que wow, esto es algo que no entendemos, que es un lugar divertido y frustrante para estar.
Conrad y su grupo están al frente de una cacería cada vez más amplia. Realmente estábamos en los confines más lejanos de la frontera, dice ella. Nadie se preocupaba por nosotros; estábamos en nuestro propio rincón. Y a medida que nosotros y otros experimentos hemos tomado más datos, y hay más señales que parecen que podría haber un neutrino adicional, la gente se ha interesado mucho más.
Repensando los aceleradores de partículas
Poco después de que MiniBooNE informara sus primeros resultados en 2007, Conrad dejó la Universidad de Columbia y se unió a la facultad del MIT.
Cambiar de trabajo de vez en cuando no es algo malo, pero eso no suele ser lo que hacen los profesores titulares, dice ella. Pero parte de la razón por la que la gente cambia de trabajo es porque les da nuevos conocimientos creativos. Y eso es realmente lo que me pasó a mí.
En el departamento de física del MIT, Conrad encontró una colmena de ideas teóricas y experimentales. Y una vez que se mudó a su oficina en el corredor principal del Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT, comenzó a desarrollar un acelerador de partículas del tamaño de una habitación.
Los experimentos con neutrinos siempre han requerido enormes aceleradores para lanzar protones cerca de la velocidad de la luz, momento en el cual las partículas podrían producir suficientes neutrinos para que los analicen detectores como MiniBooNE. Los experimentos con neutrinos y la física de partículas en general básicamente se han vuelto más y más grandes, dice Conrad. Tomamos la misma tecnología que ya tenemos y seguimos expandiéndola y multiplicándola.
En lugar de ir más lejos en esa dirección, Conrad decidió buscar formas de construir un acelerador de partículas tan poderoso como los que abarcan varios kilómetros en una fracción del espacio. Los aceleradores más pequeños, razonó, podrían construirse a bajo costo y colocarse cerca de cualquier detector de neutrinos grande, ya sea en medio de una pradera, como en Fermilab, o en las profundidades de las montañas.
Un diseño comenzó a tomar forma después de que asistió a una charla sobre ciclotrones, aparatos del tamaño de una habitación que arrojan partículas cargadas desde su centro a través de un campo magnético y las aceleran a lo largo de ondas de radiofrecuencia, como los surfistas montan las olas del océano.
Es una historia real del MIT en el sentido de que estaba sentado aquí trabajando, tenía mucho que hacer y alguien dijo: '¿Quieres ir a conocer este nuevo ciclotrón?', recuerda Conrad. Así que fui, y estaba sentado allí en la charla, y dije: 'Ese es el acelerador de mis sueños'.
Desde la década de 1930, los ciclotrones se han utilizado para producir haces de protones para experimentos de física nuclear. Pero la cantidad de protones que podían acelerar era limitada y, a medida que aparecieron aceleradores más grandes y poderosos, los ciclotrones se reutilizaron para hacer girar haces de protones destinados a matar tumores cancerosos. Conrad buscó formas de aumentar la cantidad de protones que un ciclotrón puede acelerar y encontró una solución en la molécula de hidrógeno ion H2+, que está formada por dos protones unidos por un electrón. Si estas moléculas de hidrógeno se bombearan a un ciclotrón, sus electrones esencialmente volarían, dejando dos protones por cada molécula, lo que significa que el doble podría estar disponible para producir neutrinos y otras partículas exóticas.
Ella y sus estudiantes están construyendo actualmente un acelerador de ciclotrón en el MIT, al que ha llamado IsoDAR, para la descomposición de isótopos en reposo, el proceso por el cual los protones del ciclotrón se descomponen en neutrinos. Una vez construido, idealmente para 2022, si todo va bien, se espera que el mini acelerador quepa en un área del tamaño de una espaciosa sala de estar. También espera construir una versión un poco más grande y potente, Daedalus, que aún sería una fracción del tamaño de los aceleradores actuales que generan neutrinos, un tamaño que podría caber fácilmente dentro de la cúpula del MIT. Si estos pequeños aceleradores se colocaran junto a algunos de los detectores más sensibles del mundo, cree Conrad, podrían avanzar mucho en la búsqueda del neutrino estéril.
Pueden ir un orden de magnitud más allá en la exploración del espacio en busca de neutrinos estériles, en comparación con cualquier otro experimento actual, dice. Para poder hacer eso, estamos tratando de pensar de manera muy diferente.
Una racha independiente
Conrad será el primero en admitir que ella no es la física de partículas promedio. Especialmente al principio de su carrera, se convertiría en una de las pocas mujeres que asistían a seminarios y conferencias.
No estaría en este campo si no me sintiera bien siendo la única mujer en algunos lugares, dice. Hay una cierta ventaja en ser mujer en el sentido de que obviamente ya eres diferente. No eres el físico del modelo estándar.
Esto se manifiesta especialmente en las charlas de Conrad en reuniones y conferencias, donde a menudo atribuirá alegremente personalidades a ciertas partículas elementales, comparando los quarks, que pueden ser tan fuertes como para oscurecer cualquier otra señal de partícula, con chicas malas y el silencio, siempre presente. neutrino a la chica de al lado.
Lindley Winslow, profesora asistente de física en el MIT, recuerda haber visto hablar a Conrad por primera vez, cuando asistió a una reunión anual de física en su tercer año universitario. Fue realmente inspirador verlo, recuerda Winslow. No solo era una mujer dando una charla, sino que también estaba siendo libre para ser linda. Y ella se estaba divirtiendo con eso, y lo estaba haciendo totalmente como una mujer, no como una mujer que fingía ser un hombre.
Conrad finalmente reclutó a Winslow como su primer posdoctorado en el MIT y ha trabajado duro para atraer a otras mujeres al departamento de física del MIT, tanto a nivel de posgrado como de facultad. Las mujeres constituían solo el 13,7 por ciento de los estudiantes de posgrado en física del Instituto en 2007, pero como directora del proceso de admisión del departamento, Conrad ha ayudado a aumentar esa cifra.
Estoy increíblemente orgullosa del hecho de que el 23 por ciento de las mujeres en esta próxima clase somos mujeres, dice ella. Mi gran esperanza es que lleguemos al 33 por ciento.
A nivel de facultad, Conrad ve un desafío mayor. El departamento de física del MIT, uno de los más grandes del país, tiene solo 12 mujeres en su facultad de alrededor de 100, cuatro de las cuales se unieron en los últimos años.
Hemos pasado de ocho a 12, eso es un gran aumento fraccional, dice ella. Pero, sinceramente, esto está bastante por detrás [de otros programas de física]. Así que está trabajando para aumentar ese número y se comunica regularmente con las mujeres de la facultad de física ahora, quienes dice que están dispuestas a salir y probar cosas, y no tienen miedo de caerse y levantarse de nuevo.
Esta vena independiente es algo que Conrad busca en los estudiantes que quieren unirse a su grupo de investigación. Eso se debe en parte a que se esfuerza por enviar a sus estudiantes directamente a los sitios donde se encuentran los experimentos con neutrinos, como Fermilab, donde los científicos operan MiniBooNE y MicroBooNE, y Madison, Wisconsin, donde reciben y analizan los datos de IceCube.
Si están en su pequeña isla aquí, pueden estar haciendo un gran trabajo, pero la gente realmente no lo sabe, dice Conrad. Es muy importante estar allí y ser central y ser una de las personas clave que son muy visibles. Y te da una visión mucho más amplia del mundo.
Conrad se esfuerza por estar presente tanto como sea posible en sus experimentos, particularmente en Fermilab, donde viaja con tanta frecuencia que ella y su esposo tienen una segunda casa en Illinois desde que Conrad era estudiante de posgrado. Voy allí tan a menudo como puedo y hablo por Skype con mi grupo todo el tiempo, dice ella. Recibirán mil correos electrónicos míos durante un fin de semana, porque mi hábito es poner un pensamiento, luego el pensamiento se desarrolla después de una hora y enviaré otro correo electrónico. Así que volverán y dirán, 'Dios mío'.
De hecho, la vida de Conrad parece estar ocupada con la física, y felizmente. Aunque le gusta la jardinería y solía ayudar a su padre a criar dalias campeonas, en estos días se limita a cultivar margaritas de bajo mantenimiento. No tengo tiempo para hacer que una dalia se vea como yo quiero, dice, y no quiero dalias gastadas.
Para Conrad, la física no es solo su trabajo, sino su pasatiempo, que lo consume todo y, sobre todo, es divertido. Por lo tanto, continúa liderando la búsqueda de anomalías de neutrinos y animando a sus colegas a unirse a la búsqueda. Habiendo construido el caso de que es posible que todas estas pistas se alineen, dice Winslow, Conrad ha convencido a la comunidad de que es vital continuar la búsqueda para confirmar o refutar la existencia de neutrinos estériles. Con alguien que ama tanto algo, no querrás interponerte en el camino, dice Winslow. Tenemos que salir y mirar.
Cómo ver un neutrino
En la década de 1960, los investigadores desarrollaron cámaras de burbujas para estudiar el escurridizo neutrino. Cuando un neutrino choca con un núcleo, produce partículas cargadas. Si esto sucede dentro de una cámara de burbujas, que está llena de líquido presurizado, las partículas cargadas dejan un rastro de electrones liberados a medida que viajan a través del líquido. A medida que el líquido se vaporiza alrededor de esos electrones, se forman burbujas microscópicas que documentan el lugar de la colisión y la trayectoria de las partículas. Liberar la presión de la cámara permite que las burbujas se expandan hasta que sean lo suficientemente grandes como para ser fotografiadas. Aunque estas fotos tienen hermosos detalles, el proceso de capturarlas requiere mucho tiempo y trabajo.
Janet Conrad y varios colegas tuvieron la idea de construir un detector que pudiera recopilar registros digitales de neutrinos con una precisión similar pero con una eficiencia mucho mayor. Se convirtió en miembro fundadora de un grupo de colaboradores que diseñó y construyó el detector de neutrinos MicroBooNE de 170 toneladas, que comenzó a registrar neutrinos generados por el acelerador Booster de Fermilab en 2015. Cuando los neutrinos ingresan a la jaula de campo de alto voltaje de MicroBooNE, que está llena de argón líquido , interactúan con el argón, creando partículas cargadas. A medida que estas partículas cargadas se mueven a través del detector, liberan electrones en el argón y producen un rastro de ionización. Las partículas cargadas también excitan el argón, produciendo luz.
Los rastros de electrones liberados después de que un neutrino haya chocado con un núcleo se muestran en una fotografía de cámara de burbujas (izquierda) y una imagen digital MicroBooNE (derecha). Los tubos fotomultiplicadores de MicroBooNE (abajo) están listos para detectar la luz producida por partículas cargadas creadas por una colisión de neutrinos.
Los electrones liberados se desplazan hacia cables recubiertos de oro instalados en el lado de bajo voltaje de la jaula de campo. Cuando los detectores de luz extremadamente sensibles conocidos como tubos fotomultiplicadores criogénicos detectan la luz que los acompaña — lo que indica que los electrones se están desplazando hacia los cables — se registra la carga de cada electrón. Esos datos se pueden usar para reconstruir una imagen tridimensional del camino del neutrino.
Cortesía de Janet COnrad
MicroBooNE puede registrar un millón de veces más eventos de neutrinos que una cámara de burbujas en la misma cantidad de tiempo. Y el aprendizaje profundo se puede utilizar para analizar la gran cantidad de imágenes digitales que produce. Cuando busca evidencia de una variedad nunca antes vista de una partícula ya esquiva, la capacidad de recopilar y analizar grandes volúmenes de datos es fundamental.