Comunicación mediante haces de neutrinos

Comunicación mediante haces de neutrinos
Comunicación mediante haces de neutrinos
Por Julián Félix
Laboratorio de partículas elementales, Departamento de Física, División de Ciencias e Ingenierías, Campus
León, Universidad de Guanajuato. felix@fisica.ugto.mx, felix@fnal.gov
La comunicación para los seres humanos siempre ha tenido una importancia capital,
porque de ésta han dependido su seguridad, su supervivencia, y sus relaciones con otros
seres humanos. Una simple marca en forma de flecha que indicaba el rumbo de algún
animal peligroso, una impresión dactilar que indicaba la presencia de otros grupos
humanos, un cordón de color anudado para significar paz, un arreglo floral para
manifestar empatía, unas señales de humo para denunciar la presencia hostil de otros
grupos, hasta llegar al lenguaje escrito más universal, fueron las primeras manifestaciones
que tardaron miles de años en ser desarrolladas.
Luego fueron el correo de postas, el correo por tren y por barco, que tardó varios siglos en
desarrollarse. Luego la telegrafía mediante hilos en clave Morse; luego la telegrafía
inalámbrica en código Morse mediante ondas electromagnéticas; estos desarrollos
tardaron menos de 100 años en ser completados.
La comunicación inalámbrica mediante ondas electromagnéticas se debió a Marconi y
otros, que en 1902 logró enviar la letra S, en código Morse, desde las costas de Inglaterra
a las costas de Canadá. El transmisor-receptor de Marconi estaba constituido por una
bobina de chispa –que medía unos 20 centímetros de largo y pesaba cerca de un
kilogramo- conectado a una antena gigante constituida por 400 alambres elevados 180
metros sobre el nivel del suelo, en 20 mástiles, distribuidos en un círculo de 200 metros
de radio, con un peso total de aproximadamente 100 toneladas. El equipo de transmisión
lo colocó en Poldhu, Cornwall, Inglaterra y el equipo de recepción –muy similar al equipo
de transmisión- lo colocó en South Wellfleet, Cape Cod., Canadá, separados ambos cerca
de 3500 km. El mensaje en clave Morse fue la letra S (…), escuchado con audífonos por un
colaborador de Marconi, sin dejar registro. Según el reporte de Marconi y colaboradores,
el mensaje fue recibido sin errores.
El experimento de Marconi marcó el inicio de la humanidad en las comunicaciones vía
ondas electromagnéticas, predichas por el genio físico escocés J. C. Maxwell en 1865 y
detectadas por Hertz en 1887. En 1909 recibió Marconi el premio Nobel en física por su
experimento, que mostró a la humanidad la posibilidad de usar las ondas
electromagnéticas para enviar mensajes a la velocidad de la luz, y desde puntos muy
distantes. A este experimento le siguieron desarrollos todavía más espectaculares como
los siguientes: invención de la radio, de la radio comercial, de la televisión, la telefonía, la
telefonía inalámbrica, la telefonía celular, la radio y la televisión digital, el internet, y la
web.
Julián Félix V.
La radio comercial comenzó en México alrededor de 1921, unos meses antes había
empezado en Argentina y en Estados Unidos. Cada desarrollo perece per se un
tratamiento aparte para hacerle justicia.
Y con cada uno de estos avances, la humanidad ya no volvía a ser la misma; se volvía más
compleja y sofisticada, más pragmática y más versátil, más tecnológica. Como
consecuencia, prácticamente, en estos días, y desde cualquier rincón del mundo es
posible enviar y recibir mensajes por radio, televisión, teléfono, web e internet. Y merced
a estas tecnologías las relaciones y actividades humanas se han globalizado. El
experimento de Marconi, visto a 100 años de distancia en el tiempo, resulta un hito en la
historia de las comunicaciones humanas vía ondas electromagnéticas. Se ve muy difícil
superarlo.
Las ondas electromagnéticas, donde la luz visible, las ondas de radio, y los rayos X son una
pequeña parte, no son más que una manifestación de la fuerza electromagnética, que es
una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las otras tres son la
gravitacional –responsable de la atracción gravitacional entre los objetos masivos en este
universo, y entre otras cosas, responsable de que usted, lector, tenga peso-; la débil –
responsable de la producción y decaimiento de muchas partículas en este universo-; y la
fuerte o nuclear –responsable de mantener los núcleos atómicos unidos o responsable del
decaimiento de algunos núcleos atómicos-. La fuerza débil es la responsable de la
creación, o desaparición, de los neutrinos durante las reacciones nucleares; también es la
responsable de la interacción de los neutrinos con la materia ordinaria.
La comunicación vía ondas electromagnéticas, a pesar de que es excelente y la única con
la que se cuenta en estos días, tiene algunos inconvenientes prácticos: el emisor radia al
espacio el mensaje, y muchos receptores pueden captarlo; esto puede ser un problema
cuando se requiere secrecía del mensaje. Las ondas electromagnéticas son bloqueadas
por capas, del orden de centímetros de espesor, de agua, o de tierra, o de cemento, o de
cualquier otro material denso del orden de centímetros de espesor, haciendo imposible la
comunicación con submarinos, con minas, con naves espaciales cuando están detrás de
los astros. Todos hemos tenido la experiencia de señales bloqueadas: cuando vamos en el
auto oyendo la radio, si pasamos por debajo de un puente la recepción se interrumpe,
dejamos de oír la transmisión de la radio y únicamente se oye estática; esto significa que
las ondas de radio son bloqueadas por el material del puente. La atmósfera terrestre, por
su composición química, bloquea las ondas electromagnéticas casi en su totalidad, deja
pasar únicamente las ondas de radio; esta ventana es muy pequeña comprada con todo el
espectro electromagnético.
Un tipo de radiación, muy diferente a la radiación electromagnética, es la radiación
constituida por neutrinos. Los neutrinos, que son generados y gobernados por la fuerza
débil, interactúan muy débilmente con la materia ordinaria, se desplazan a la velocidad de
la luz en el vacío y pueden pasar kilómetros y kilómetros de materia sin chocar con algún
átomo; en realidad pueden pasar la Vía Láctea de lado a lado sin chocar con un átomo de
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ésta. Por esta propiedad, los neutrinos superan a las ondas electromagnéticas y los hace
potencialmente más aptos para enviar mensajes.
Desde que los neutrinos fueron postulados por Pauli, físico austriaco, en 1930, y
retomados por el físico italiano Fermi en 1932 en su teoría del decaimiento beta, se
especulaba que podrían usarse para enviar mensajes a través de medios muy densos por
donde no podrían las ondas electromagnéticas pasar.
Los físicos estadounidenses Reines y Cowan, del laboratorio nacional de los Estados
Unidos en Los Álamos Nuevo México, lograron detectar al neutrino por primera vez en la
historia en 1956. En realidad detectaron al anti neutrino, producido en reacciones
nucleares, proveniente de un reactor nuclear. Ellos y su equipo crearon la tecnología de
detección. Reines recibió el Premio Nobel de física de 1995 por sus investigaciones en la
física de neutrinos.
Los neutrinos son partículas que tienen masa casi nula, viajan a la velocidad de la luz en el
vacío, no tienen carga eléctrica, tienen espín de un medio, interactúan muy débilmente
con la materia ordinaria, se conocen tres clases diferentes –el asociado al electrón, el
asociado al muón, y el asociado a tau-, existen los antineutrinos de cada clase de
neutrinos, contribuyen con más del 7% a la masa total del universo, su papel en el
universo es desconocido, y una clase oscila a las otras –por ejemplo, el sol produce
neutrinos asociados al electrón exclusivamente, sin embargo a la tierra llega un tercio de
cada clase lo que demuestra que los neutrinos asociados al electrón oscilaron a neutrinos
asociados al muón y al tau-.
Los neutrinos, como las ondas electromagnéticas, se producen por procesos naturales; los
primeros en las reacciones nucleares –decaimiento beta de los núcleos atómicos, por
ejemplo, en la tierra, el sol, el cuerpo humano y otros- y las segundas en las des
excitaciones atómicas –en una tormenta eléctrica, por ejemplo, en un foco eléctrico, en el
horno de microondas, etc.-. Pero también se producen de forma artificial en los
laboratorios para estudios y experimentos muy concretos; los neutrinos se producen
mediante grandes aceleradores de partículas, que por choches generan partículas
cargadas que a su vez decaen en neutrinos; y las ondas electromagnéticas se producen
usando fuentes especiales que consisten en calentar, hasta el punto de incandescencia,
elementos como el Mercurio, el Hidrógeno, etc.
Los neutrinos se producen de forma artificial en el inyector principal de Fermilab
(http://www.fnal.gov) -uno de los laboratorios más grandes en la especialidad de física de
altas energías en el mundo-, que da servicio a varios experimentos, entre ellos el
experimento MINERvA (http://minerva.fnal.gov), empleando la tecnología desarrollada
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por Leon Lederman y colaboradores en la década de 1960 en los laboratorios de
Brookhaven, Nueva York, USA.
Los neutrinos, en el inyector principal de Fermilab, se producen haciendo chorar protones
acelerados hasta tener una energía de 120 GeV contra núcleos de Carbón. Del choque se
producen otras partículas, entre ellas piones que decaen en muones y neutrinos asociados
a los muones en un tiempo extremadamente corto –alrededor de una trillonésima de
segundo-; en mucha menor proporción también se producen electrones y neutrinos
asociados a los electrones. El haz de partículas creadas se filtra, se le eliminan las
partículas cargadas usando grandes bloques de tierra y concreto hasta que únicamente
queda el haz de neutrinos; así se obtiene un haz neutrinos en un amplio espectro de
energías que va de unos MeV hasta unos doscientos GeV.
Este haz de neutrinos se envía directamente al detector MINERvA, situado a unos 1200
metros de donde se empieza a producir el haz de neutrinos, y a ciento cinco metros bajo
tierra, enfrente del detector MINOS. En el detector de MINERvA los neutrinos chocan con
núcleos de centellador plástico, de plomo, de carbón, de agua, de fierro, y de helio
produciendo partículas cargadas que a su paso por el detector dejan rastros de energía
depositada. Con esta información, las trayectorias, los momentos, las identidades, las
energías, etc., de las partículas son reconstruidas siguiendo algoritmos computacionales
muy elaborados. Y usando esta información, una gran cantidad de información de las
reacciones se obtiene, especialmente secciones transversales de interacción neutrinonucleón y de producción de algunas partículas.
El detector MINERvA opera desde 2010, su construcción se inició en el 2005, costó
alrededor de 75 millones de dólares, pesa alrededor de 160 toneladas, tiene 38000
canales de información, logra una resolución espacial en las trayectorias de las partículas y
vértices de las reacciones de 2.5 mm, y resolución en el tiempo de 3.2 nano segundos.
Involucra a 120 físicos de 22 instituciones distribuidas en 7 países. Entre éstas está la
Universidad de Guanajuato, representada por el Laboratorio de Partículas, Departamento
de Física, División de Ciencias e Ingenierías, Campus León (dirigido por Julián Félix) y el
Laboratorio de Súper Cómputo, Departamento de Ciencias Organizacionales, División de
Ciencias Sociales, Campus Guanajuato (dirigido por Gerardo Zavala). En esta colaboración
han participado varios estudiantes de la Universidad de Guanajuato desde licenciatura (un
estudiante de física, dos de ingeniería mecánica y tres estudiantes de computación),
maestría (tres estudiantes de física) y doctorado (cuatro estudiantes de física).
Usando estas facilidades tecnológicas, los físicos de la colaboración MINERvA, junto con
dos físicos de la National Aeronautical Space Administration de USA (NASA por sus siglas
en inglés), que se unieron a esta colaboración, lograron codificar el mensaje NEUTRINO en
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el haz de neutrinos, enviarlo a través de 1200 metros –incluyendo una porción de 240
metro de tierra y concreto- detectarlo con el detector MINERvA y decodificarlo para
obtener el mensaje enviado. El mensaje se digitalizó en el haz usando técnicas de
codificación y encriptamiento muy conocidas en ingeniería de telecomunicaciones;
producir, enviar, recibir, y decodificar el mensaje tomó un par de horas. La razón de
transmisión fue de 0.1 bit/s, con un error del 1%. Una tasa de transmisión de 0.1 bit por
cada segundo es equivalente a la tasa de transmisión de señales en forma de volutas de
humo; empero el adelanto tecnológico no sigue este símil, es sin comparación en la
historia de la humanidad; inaugura otra era en la historia de las comunicaciones de la
humanidad. E inicia a la humanidad en el uso práctico, para comunicaciones, de la fuerza
débil.
Los resultados ya están oficialmente publicados en el artículo “Demonstration of
CommunicationUsing neutrinos”, MPL A, Vol. 27, No. 12 (2012). Y han recibido la atención
en los medios masivos de comunicación, a nivel internacional, en diferentes sitios de
empresas y de universidades, y en distintos foros. Valgan los siguientes ejemplos:
www.technologyreview.com/blog/arxiv/24203/,
www.element14.com/.../neutrinocommunication..., www.livescience.com/19075-neutrino-particle-c..., www.centauridreams.org/?...neutrino-communi...
www.economist.com/node/21550242,
www.daviddarling.info/.../N/neutrinocom.html,
physicsworld.com/cws/article/news/48980, www.symmetrymagazine.org/.../scientistssuccess..., www.txchnologist.com/.../txch-today-sky-atlas-n..., www.finestructure.com
/.../neutrino-communicati..., entre otros muchos. Se obtienen más tecleando en un
buscador en internet –por ejemplo Google- “Demonstration of Communication
Usingneutrinos”. Tal búsqueda arroja más de 1 140 000 citas. Todas hablan de los
neutrinos, pero no todas de la comunicación usando neutrinos. La estimación es que
alrededor de 4500 sitios académicos en internet hablan, y comentan el trabajo, de la
comunicación mediante haces de neutrinos. El proceso de la socialización de este
conocimiento está en camino.
Y los resultados anteriores no son para menos. Son muy importantes. La comunicación vía
haces de neutrinos es punto a punto, lo que hace más segura esta forma que por medio
de ondas electromagnéticas. Los resultados tecnológicos a futuro, generados por esta
línea, podrían superar a los desprendidos del experimento de Marconi. La comunicación
con minas, con submarinos, con naves espaciales detrás de los astros, y la discontinuación
de los satélites podría ser una realidad en el futuro cercano. Además abre la posibilidad de
que la comunicación vía neutrinos sea una forma más adecuada para la búsqueda de vida
extraterrestre tecnológicamente avanzada; ya que a grandes distancias, como las que
existen entre estrellas, también hay grandes regiones llenas de polvos que evitan que las
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ondas electromagnéticas se propaguen, además del bloqueo que produce la atmósfera
terrestre a prácticamente todo el espectro electromagnético.
Aunado a todo lo anterior, el experimento de comunicación por medio de haces de
neutrinos de la colaboración MINERvA constituye un hito en la historia de las
comunicaciones de la humanidad. Da comienzo a otra era en las comunicaciones.
Inaugura el uso de la fuerza débil por la humanidad con propósitos tecnológicos y de
comunicación.
La humanidad tiene en sus manos un adelanto tecnológico que, como el adelanto de
Marconi y Tesla, posiblemente tarde cien años o más en explotar tecnológicamente. Para
México es una oportunidad sin igual para entrar y contribuir al desarrollo de estas nuevas
tecnologías de la comunicación, porque México, a través de la Universidad de Guanajuato
es parte de la colaboración MINERvA.
En México no tenemos ningún laboratorio donde podamos detectar y estudiar neutrinos;
tampoco, la tecnología de detección. Es necesario crearlo, con las condiciones necesarias
para detectar neutrinos, es decir, libre de la radiación cósmica como rayos gama, muones,
y otras partículas cargadas diferentes a los neutrinos, y que en un detector de neutrinos
serían nocivas y crear la tecnología de detección.
Por lo anterior, hemos propuesto la creación de un laboratorio subterráneo en las
instalaciones de la División de Ciencias e Ingenierías, Campus León, Universidad de
Guanajuato –en León Guanajuato-; diez metros bajo el nivel del suelo, excavado en roca
sólida, serían suficientes para que toda la radiación no deseada quedara absorbida por las
capas pétreas. En la primera etapa no necesitamos crear neutrinos para estudiarlos; los
neutrinos existen por doquier. Hay neutrinos solares, neutrinos atmosféricos, neutrinos
terrestres, y neutrinos reliquia, y posiblemente fuentes puntuales de neutrinos cósmicos,
de ahí podemos tomarlos para crear las tecnologías de detección. Algunos son tópico
interesantísimos por ellos mismos, por ejemplo los neutrinos reliquias que deben estar
por todos lados, a determinada energía, distribuidos uniformemente y que fueron creados
en los momentos mismos del nacimiento del universo; y los que provienen de fuentes
puntuales cósmicas –una estrella de neutrones en formación-, a una determinada energía
y puntuales.
Para desarrollar las primeras tecnologías requerimos el concurso de CONACYT, y de varias
empresas que se interesen en explotar esta tecnología a nivel comercial, y que hagan el
análogo a la radio y a la televisión, y el internet y la web, pero con la fuerza débil y los
neutrinos como los portadores de mensajes.
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Comunicación mediante haces de neutrinos
Ya con la tecnología de detección el siguiente paso es perfeccionar los métodos de
detección y hacer la tecnología de detección portátil. Actualmente es muy aparatosa y
costosa, pero así lo fue la primitiva tecnología de Marconi; y ya en estos días esta
tecnología cuenta con receptores y transmisores que pesan cerca de 100 gramos, miden
4.5 cm X 7 cm X 1 cm, con cobertura a nivel mundial y las personas los portan en sus
bolsillo. Un camino similar posiblemente sigan las tecnologías de comunicación a base de
neutrinos.