Arthur B. McDonald: el físico que trabajó a dos kilómetros bajo tierra

A dos kilómetros bajo el paisaje de Ontario, dentro de una mina de níquel en activo cerca de Sudbury, Arthur McDonald dedicó más de una década a realizar un experimento que necesitaba ser protegido de casi cualquier partícula de la superficie terrestre para poder captar las que llegaban desde el Sol. Cuando los datos finalmente estuvieron listos en 2001, lo llamó su «momento eureka»: los neutrinos, las partículas fantasma que los físicos suponían que no tenían masa, cambiaban de identidad en pleno vuelo, una prueba de que, después de todo, sí poseían masa.

De Sídney, Nueva Escocia, a Caltech

Arthur Bruce McDonald nació el 29 de agosto de 1943 en Sídney, Nueva Escocia, y permaneció cerca de su hogar durante su formación inicial, obteniendo tanto una licenciatura en 1964 como un máster en 1965 en física por la Universidad de Dalhousie. Posteriormente, cruzó el continente para realizar estudios de posgrado en el Instituto de Tecnología de California, donde completó un doctorado en física nuclear en 1969 bajo la supervisión de Charles A. Barnes, con una tesis sobre las energías de excitación y las propiedades de desintegración de estados nucleares específicos en oxígeno-17, flúor-17 y sodio-21; un trabajo técnico y poco glamuroso, típico de un joven físico nuclear que se abría camino antes del descubrimiento que definiría su carrera.

De Chalk River a Princeton

La primera etapa de la vida profesional de McDonald transcurrió principalmente en el establecimiento de investigación nuclear de Canadá, como investigador en los Laboratorios Nucleares de Chalk River de 1969 a 1982, como parte del programa insignia del país en física de reactores y de partículas. Luego, pasó a ocupar una cátedra en la Universidad de Princeton de 1982 a 1989, antes de regresar a Canadá para unirse a la Universidad Queen's en Kingston, Ontario, en 1989, el mismo año en que se convirtió en el director fundador de un nuevo y ambicioso experimento que se estaba construyendo en una mina en activo a dos kilómetros bajo tierra.

La construcción del Observatorio de Neutrinos de Sudbury

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury, conocido como SNO, se construyó dentro de la mina de níquel Creighton específicamente porque su enorme profundidad de roca protegería a un detector extraordinariamente sensible del fondo de rayos cósmicos que inunda la superficie terrestre. En su centro había mil toneladas de agua pesada, elegida porque podía registrar los tres tipos, o «sabores», de neutrino en lugar de solo uno. McDonald lideró la colaboración internacional del SNO durante la construcción del proyecto y, una vez iniciadas las operaciones en 1998, durante años de meticulosa recopilación de datos destinados a resolver un rompecabezas de décadas de antigüedad conocido como el problema de los neutrinos solares: los detectores en la Tierra encontraban sistemáticamente solo alrededor de un tercio de los neutrinos electrónicos que la física solar predecía que el Sol debería producir. En agosto de 2001, los resultados del SNO mostraron la razón: los neutrinos faltantes no habían desaparecido, sino que habían cambiado de sabor, oscilando de neutrinos electrónicos a neutrinos muónicos y tauónicos en su viaje desde el núcleo del Sol hasta el pozo de la mina de Ontario. Esa oscilación solo podía ocurrir si los neutrinos, contrariamente a las suposiciones originales integradas en el Modelo Estándar de la física de partículas, poseían una masa pequeña pero distinta de cero.

Un Nobel compartido a través del Pacífico

El Premio Nobel de Física de 2015 fue otorgado conjuntamente a McDonald y al físico japonés Takaaki Kajita, cuyo experimento Super-Kamiokande había encontrado independientemente evidencia de oscilación de neutrinos utilizando neutrinos atmosféricos en lugar de solares. La mención reconoció a ambos hombres «por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que muestra que los neutrinos tienen masa», un hallazgo que el comité del Nobel y la comunidad física en general consideraron la primera grieta confirmada en el Modelo Estándar, el marco que, por lo demás, había predicho el comportamiento de las partículas con notable precisión durante décadas. McDonald continuó recibiendo una serie de honores relacionados: la Medalla Benjamin Franklin en Física en 2007, su elección como miembro de la Royal Society en 2009, el Premio Killam en Ciencias Naturales en 2010, la Medalla Henry Marshall Tory en 2011, el Premio Giuseppe y Vanna Cocconi de Astrofísica de Partículas en 2013, su nombramiento como Compañero de la Orden de Canadá en 2015 y el multimillonario Breakthrough Prize en Física Fundamental, compartido entre los equipos de SNO y Super-Kamiokande. Un asteroide, 229781 Arthurmcdonald, fue nombrado en su honor en 2016.

SNOLAB, materia oscura y un desvío pandémico

Las instalaciones subterráneas que McDonald construyó para el SNO no cerraron cuando finalizó el experimento de neutrinos; se ampliaron hasta convertirse en SNOLAB, uno de los laboratorios científicos subterráneos más profundos y limpios del mundo, donde McDonald continuó la investigación en física de neutrinos y la búsqueda de materia oscura como profesor emérito en la Universidad Queen's. Sus habilidades también resultaron útiles fuera de la física de partículas: durante la pandemia de COVID-19, McDonald ayudó a liderar el esfuerzo de ingeniería detrás del Mechanical Ventilator Milano, un diseño de ventilador de código abierto y fácil de producir en masa, trabajo que recibió el respaldo público del primer ministro canadiense Justin Trudeau mientras los hospitales enfrentaban escasez de equipos.

Por qué se dice que Arthur es un genio

La condición de genio de McDonald no radica tanto en un destello de perspicacia teórica como en la disciplina organizativa y de ingeniería, sostenida y casi obstinada, necesaria para responder a una pregunta que la naturaleza había ocultado extraordinariamente bien. Los neutrinos interactúan tan débilmente con la materia ordinaria que billones pasan a través del cuerpo humano cada segundo sin efecto; detectar la pequeña fracción que sí interactúa, con suficiente limpieza como para distinguir un sabor de otro, exigió construir y operar uno de los instrumentos más aislados y calibrados con precisión jamás construidos, a dos kilómetros bajo tierra, durante la mayor parte de dos décadas. Ese no es el genio de una idea repentina, sino de una paciencia experimental implacable: diseñar un aparato lo suficientemente sensible como para captar lo que nadie había captado antes y mantener unida una colaboración internacional durante el tiempo suficiente para obtener una respuesta clara. La cualificación honesta es que la idea subyacente de la oscilación de neutrinos no fue solo de McDonald: los teóricos la habían propuesto anteriormente, y el equipo de Takaaki Kajita llegó a una conclusión paralela de forma independiente utilizando neutrinos completamente diferentes, que es precisamente la razón por la que el Nobel se dividió. La contribución distintiva de McDonald fue probarlo de manera decisiva, con un experimento cuya pura audacia física (agua pesada, una mina en activo, blindaje contra rayos cósmicos a esa escala) fue tanto una hazaña de física aplicada y liderazgo como de teoría.

Legado

El hallazgo del experimento SNO reformó una suposición fundamental de la física de partículas y dejó tras de sí a SNOLAB como una pieza permanente de infraestructura científica, que ahora alberga búsquedas de materia oscura y otros experimentos subterráneos profundos que serían imposibles en cualquier otro lugar de la Tierra. McDonald, aún activo en la investigación bien entrados sus ochenta años, sigue siendo uno de los científicos más condecorados de Canadá y una presencia constante en el laboratorio subterráneo que construyó por primera vez para captar un puñado de esquivas partículas procedentes del Sol.