Las representaciones de la diosa romana de la sabiduría, Minerva, la muestran con túnicas amplias, un casco de guerra noble y sosteniendo un búho. Por el contrario, el experimento MINERvA presenta un enorme detector de partículas con los nombres de los científicos colaboradores garabateados en el frente.

Si bien es bastante diferente en apariencia, este experimento de neutrinos proporciona una profunda sabiduría a los científicos, tal como lo representa su homónimo. Entre sus muchos conocimientos, los científicos han utilizado MINERvA para comprender mejor el tamaño y la estructura de los protones, uno de los componentes básicos de los átomos.

MINERvA es un experimento de dispersión de neutrinos en el Fermilab del Departamento de Energía. Los neutrinos son partículas diminutas, eléctricamente neutras, increíblemente abundantes. El sol, otras estrellas y muchos objetos diferentes los producen como resultado de reacciones atómicas. De hecho, hay más neutrinos en el universo que cualquier otra partícula con masa.

A pesar de ser omnipresentes, nunca notamos los neutrinos porque casi nunca reaccionan con nada. El estudio de los neutrinos es esencial para comprender cómo se formó nuestro universo en el pasado y cómo funciona ahora.

Para comprender mejor esta partícula fundamental, los científicos estudian cómo los neutrinos interactúan con los materiales en las raras ocasiones en que realmente lo hacen. La misión de MINERvA es capturar estas interacciones.

Utiliza un haz de neutrinos de alta intensidad para estudiar cómo interactúan con los núcleos de cinco elementos diferentes. Al hacer que los neutrinos alcancen objetivos hechos de diferentes materiales (agua, helio, carbono, hierro, plomo y plástico), los científicos pueden comparar las reacciones. Trazar las diferentes interacciones ayudará a los científicos a analizar los resultados de otros experimentos como el próximo Experimento de neutrinos subterráneos profundos.

Además de este objetivo, los científicos de la colaboración MINERvA descubrieron otro uso inteligente para sus datos:investigar el tamaño y la estructura del protón.

Junto con los neutrones, los protones forman los núcleos de los átomos que nos componen a nosotros y a todo lo que nos rodea. Son uno de los componentes básicos de la materia con la que interactuamos todos los días.

Pero estudiar partículas subatómicas es mucho más complicado que estudiar objetos más grandes. Las partículas subatómicas son demasiado pequeñas para estudiarlas con herramientas ordinarias como los microscopios. Además, el "tamaño" de una partícula subatómica no tiene el mismo significado que el tamaño de un objeto que se puede medir con una regla. En cambio, los científicos estudian las fuerzas que mantienen unido al protón.

En el pasado, los científicos estudiaban el tamaño del protón utilizando la fuerza electromagnética. El electromagnetismo es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Los campos magnéticos, los campos eléctricos e incluso la luz caen bajo la fuerza electromagnética. Une los electrones al núcleo (compuesto de protones y neutrones) del átomo. También es en parte responsable de la estructura del núcleo.

Para representar el tamaño del protón, los científicos suelen utilizar el radio de carga eléctrica. Ese es el radio promedio de la carga eléctrica distribuida en el protón. Para medir esta característica, los científicos apuntan un haz de electrones de una sola energía a un objetivo. Los electrones se alejan de los protones en muchas direcciones y energías diferentes, lo que proporciona a los científicos información sobre la estructura interna de los protones.

Utilizando esta técnica, los científicos han podido realizar una medición muy precisa del tamaño del radio medio de carga eléctrica del protón y, por tanto, de los quarks que proporcionan la carga eléctrica.

Dirigida por Tejin Cai (entonces estudiante de doctorado en la Universidad de Rochester), la colaboración MINERvA tenía un enfoque diferente. La idea era utilizar antineutrinos (la antimateria gemela de los neutrinos) para estudiar los protones.

Debido a que los neutrinos (y antineutrinos) no tienen carga, no interactuarían a través de la fuerza electromagnética. En cambio, los neutrinos interactuarían a través de la fuerza débil de los protones. La fuerza débil y la gravedad son las dos únicas formas en que los neutrinos interactúan con cualquier cosa.

A pesar de su nombre, la fuerza débil es poderosa. Otra de esas cuatro fuerzas fundamentales, permite el proceso por el cual los protones se convierten en neutrones o viceversa. Estos procesos son los que impulsan las reacciones nucleares del sol y de otras estrellas. Los neutrinos ofrecen una herramienta única para estudiar la fuerza débil.

Pero la fuerza débil sólo entra en juego cuando las partículas están muy, muy juntas. A medida que los neutrinos se elevan por el espacio, generalmente se mueven a través de los espacios (comparativamente) vastos entre los electrones y el núcleo de un átomo.

La mayoría de las veces, los neutrinos simplemente no están lo suficientemente cerca de los protones como para que puedan interactuar a través de la fuerza débil. Para obtener suficientes mediciones, los científicos necesitan disparar cantidades asombrosas de neutrinos o antineutrinos a un objetivo.

El potente haz de neutrinos de MINERvA y sus diversos objetivos hicieron posible ese objetivo. En un mundo ideal, los científicos apuntarían neutrinos a un objetivo compuesto de neutrones puros, o antineutrinos a un objetivo compuesto de protones puros. De esta forma, los científicos podrían obtener las mediciones más específicas. Desafortunadamente, esa no es una configuración experimental muy realista.

Pero MINERvA ya tenía la mejor opción:muchos antineutrinos y un objetivo hecho de poliestireno. El material que compone la espuma de poliestireno, el poliestireno, está hecho de hidrógeno unido a carbono. Usando este objetivo, los científicos podrían obtener mediciones de cómo los antineutrinos interactúan tanto con el hidrógeno como con el carbono.

Para separar el hidrógeno del carbono, los científicos adoptaron un enfoque similar a tomar una fotografía y luego eliminar el fondo para permitirle concentrarse en solo unos pocos elementos. Para determinar esas interacciones "de fondo" entre neutrinos y carbono, los científicos observaron los neutrones.

Cuando los antineutrinos interactúan con los protones del carbono o con los protones solos del hidrógeno, producen neutrones. Al rastrear los neutrones, los científicos podrían trabajar hacia atrás para identificar y eliminar las interacciones carbono-antineutrino de las interacciones hidrógeno-antineutrino.

Obtener la cantidad necesaria de interacciones realmente puso a prueba las capacidades de MINERvA. Durante tres años, los científicos registraron más de un millón de interacciones de antineutrinos con otras partículas. Sólo 5.000 de ellos eran con hidrógeno.

Esos datos finalmente permitieron a los científicos calcular el tamaño del protón utilizando neutrinos. En lugar del radio de carga eléctrica, calcularon el radio de carga débil del protón. Fue la primera vez que los científicos utilizaron neutrinos para realizar una medición estadísticamente significativa de esta característica.

Teniendo en cuenta las incertidumbres, el resultado fue muy cercano a las mediciones anteriores del radio de carga eléctrica del protón. Dado que fundamentalmente mide la distribución espacial de quarks y gluones que forman el protón, se esperaba que el valor fuera similar.

Esta nueva técnica ofrece a los científicos otra herramienta más en su conjunto de herramientas para estudiar la estructura del protón. Es un testimonio de la sabiduría que podemos obtener cuando los científicos piensan creativamente sobre el uso de experimentos existentes para explorar nuevas áreas de investigación.

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.