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Fermilab: centro líder en física de partículas, aceleradores y neutrinos

Fermilab: centro líder en física de partículas, aceleradores y neutrinos. Innovación, descubrimiento del quark top y experimentos clave como MINOS, MiniBooNE y SciBooNE.

Autor: Leandro Alegsa

11-01-2026

El Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), situado en las afueras de Batavia (Illinois), cerca de Chicago, es un laboratorio nacional del Departamento de Energía estadounidense especializado en la física de partículas de alta energía. Desde el 1 de enero de 2007, el Fermilab está gestionado por la Fermi Research Alliance, una empresa conjunta de la Universidad de Chicago, el Instituto Tecnológico de Illinois y la Universities Research Association (URA). El Fermilab forma parte del Corredor Tecnológico y de Investigación de Illinois.

El Tevatrón del Fermilab fue un acelerador de partículas emblemático; con 6,3 km de circunferencia, fue el segundo acelerador de partículas de energía más grande del mundo (el Gran Colisionador de Hadrones del CERN tiene 27 km de circunferencia), hasta que se cerró el 30 de septiembre de 2011. En 1995, dos equipos del Fermilab (CDF y DØ, detectores que utilizan el Tevatrón) anunciaron el descubrimiento del quark top.

Además de la física de los colisionadores de alta energía, el Fermilab también alberga una serie de experimentos de objetivo fijo y de neutrinos más pequeños, como MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) y MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). El detector MiniBooNE es una esfera de 40 pies (12 m) de diámetro que contiene 800 toneladas de aceite mineral revestido con 1520 fotodetectores individuales. Se calcula que cada año se registran un millón de eventos de neutrinos. SciBooNE es el experimento de neutrinos más reciente del Fermilab; se encuentra en el mismo haz de neutrinos que MiniBooNE, pero cuenta con capacidades de seguimiento de grano fino. El experimento MINOS utiliza el haz NuMI (Neutrinos at the Main Injector) del Fermilab, que es un intenso haz de neutrinos que viaja 732 km a través de la Tierra hasta la mina Soudan en Minnesota.

Se reservó un gran terreno para el Fermilab, pero gran parte del equipo está bajo tierra. Los científicos del Fermilab decidieron utilizar la superficie del terreno como experimento para restaurar la pradera original de Illinois. También crearon una granja para criar una manada de bisontes americanos. El Fermilab Nature Areas es un grupo independiente sin ánimo de lucro que administra estos programas.

El asteroide 11998 Fermilab recibe su nombre en honor al laboratorio.

Historia breve y gestión

Fermilab se fundó en la década de 1960 con el objetivo de ser el centro estadounidense para la investigación en física de altas energías. A lo largo de su historia ha evolucionado desde el uso principal de colisionadores hasta convertirse en un laboratorio multidisciplinar centrado en aceleradores, física de neutrinos, astrofísica de partículas, informática científica y desarrollo tecnológico. La gestión actual por la Fermi Research Alliance integra la experiencia universitaria y la colaboración con agencias y laboratorios nacionales.

Aceleradores y logros científicos

Tevatrón: Fue la instalación estrella del Fermilab durante décadas y permitió descubrimientos clave como el del quark top en 1995. Su cierre en 2011 marcó el final de una era, pero su legado técnico y científico continúa.
Complejo de aceleradores modernos: Fermilab mantiene y desarrolla instalaciones como el Main Injector y los sistemas de protones que generan haces intensos para experimentos de neutrinos y físicos de partículas.
Investigación en tecnología de aceleradores: El laboratorio es líder en la investigación y desarrollo de tecnologías como cavidades superconductoras de RF, criogenia, sistemas de control y técnicas de colimación, que son cruciales tanto para aceleradores de partículas como para aplicaciones médicas e industriales.

Programa de neutrinos y experimentos actuales

El Fermilab se ha convertido en un centro mundial para la física de neutrinos. Además de MiniBooNE, SciBooNE y MINOS mencionados, el laboratorio ha apoyado y albergado otros experimentos importantes:

NOvA: Un experimento de oscilaciones de neutrinos que utiliza detectores ubicados en Fermilab y en una ubicación remota para estudiar las propiedades de los neutrinos.
MicroBooNE, SBND e ICARUS: Experimentos basados en detectores de argón líquido que buscan estudiar interacciones de neutrinos con alta precisión y abordar anomalías observadas en experimentos previos.
LBNF/DUNE (proyecto a largo plazo): Fermilab lidera la construcción de la Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) y el experimento DUNE, que enviarán un haz de neutrinos a gran distancia (hasta el SURF en Dakota del Sur) para estudiar la masa de los neutrinos, la violación de la simetría CP en el sector leptónico y fenómenos raros como la desintegración del protón.

Investigación complementaria y computación

Además de la física experimental, Fermilab alberga grupos teóricos y de computación que soportan análisis de datos a gran escala. El laboratorio participa en redes de computación distribuidas (grid y cloud) y en el procesamiento de datos para colaboraciones internacionales, incluyendo contribuciones al procesamiento y análisis de datos del Gran Colisionador de Hadrones.

Instalaciones, naturaleza y comunidad

El campus de Fermilab combina instalaciones científicas de alta tecnología con proyectos de conservación. La restauración de praderas nativas y la gestión de la manada de bisontes son ejemplos de cómo el laboratorio integra ciencia y medio ambiente. El Fermilab Nature Areas coordina la conservación, los programas educativos y la investigación ecológica en el terreno del laboratorio.

Divulgación, formación y visitas

Fermilab mantiene programas de divulgación y educación dirigidos a estudiantes, profesores y al público general. Ofrece visitas guiadas, conferencias públicas, programas para escuelas y recursos educativos que acercan temas complejos como la física de partículas y la tecnología de aceleradores a audiencias no especialistas. También organiza eventos culturales y exposiciones de arte relacionadas con la ciencia.

Proyectos futuros y papel en la física mundial

Entre los proyectos en curso y planificados destacan:

PIP-II: Un programa de mejora del complejo de protones (Proton Improvement Plan II) que aumentará la intensidad del haz para futuros experimentos, especialmente para DUNE.
LBNF/DUNE: Proyecto de largo alcance que consolidará a Fermilab como el centro del programa mundial de neutrinos de gran línea base.
Investigación en aceleradores avanzados: Proyectos como IOTA y programas de investigación en técnicas de aceleración avanzada buscan reducir costes, mejorar la eficiencia y abrir nuevas aplicaciones.

Fermilab sigue siendo un punto de encuentro internacional para miles de científicos, ingenieros y estudiantes que colaboran en experimentos de frontera, contribuyendo al avance del conocimiento sobre la estructura fundamental del universo.

Una vista de satélite del Fermilab. Las dos estructuras circulares son el Anillo Inyector Principal (pequeño) y el Tevatrón (grande).

Historia

Entre la Segunda Guerra Mundial y la década de 1960, el gobierno federal financió diferentes aceleradores de partículas en universidades competidoras para construir experimentos de física de alta energía. Los más destacados fueron el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), que enviaba partículas en línea recta, el Laboratorio Nacional de Brookhaven en SUNY Stoney Brook y el sincrotrón de la Universidad de Cornell, que enviaba partículas en círculo para que los mismos imanes trabajaran sobre las partículas muchas veces. En la década de 1960, el coste de la construcción de aceleradores atómicos más grandes era demasiado elevado para financiar cada uno de ellos, y el tamaño del anillo del siguiente acelerador circular sería demasiado grande para caber en un campus universitario existente. Así que el gobierno federal decidió crear un nuevo emplazamiento dirigido por físicos de varias universidades. Convocaron un concurso para elegir un emplazamiento, pero los políticos lucharon para que fuera en Illinois.

Weston, Illinois, era una comunidad próxima a Batavia. Era una subdivisión de casas prefabricadas iniciada a principios de los años sesenta. Las ventas eran muy lentas, así que los promotores del terreno intentaron atraer a Fermilab para que fuera un nuevo empleador en las afueras de la nueva ciudad. Sin embargo, resultó que la cantidad de terreno necesaria se tragaría toda la ciudad. Así que la ciudad votó para vender todo el terreno, incluidas las casas que se habían construido, al Fermilab. La ciudad se disolvió entonces.

El laboratorio se fundó en 1967 con el nombre de Laboratorio Nacional de Aceleradores; en 1974 se rebautizó en honor a Enrico Fermi. El primer director del laboratorio fue Robert Rathbun Wilson. Wilson realizó muchas de las esculturas del campus. Se le atribuye la responsabilidad de que se terminara antes de tiempo y por debajo del presupuesto. El edificio del laboratorio, de gran altura, cuya forma única se ha convertido en el símbolo del Fermilab, lleva su nombre en su honor y es el centro de actividad del campus.

Antes de que se pudieran terminar los nuevos edificios, los científicos se trasladaron a las casas de Weston y también trasladaron todas las casas de la granja del Fermilab a ese lugar para utilizarlas como espacio de oficinas. Rebautizaron Weston como "Fermilab Village". Todavía alberga a los científicos visitantes.

Wilson trajo al equipo que había construido el sincrotrón de Cornell para ayudar a construir el acelerador original de 200 GeV. Dos importantes inventos hicieron que este acelerador quedara obsoleto: los imanes superconductores y la utilización del mismo anillo del acelerador para enviar dos grupos de partículas en direcciones opuestas, de modo que al colisionar tuvieran el doble de energía.

Después de que Wilson dimitiera en 1978 en protesta por la falta de financiación del laboratorio, Leon M. Lederman asumió el trabajo. Bajo su dirección se sustituyó el acelerador original por el acelerador Tevatron. El nuevo acelerador era capaz de hacer colisionar protones y antiprotones a una energía combinada de 1,96 TeV. Lederman dejó el cargo en 1988 y sigue siendo director emérito. El centro de educación científica de las instalaciones (que sirve a los estudiantes y al público en general) fue nombrado en su honor.

De 1988 a 1998, el laboratorio fue dirigido por John Peoples. Desde entonces hasta el 30 de junio de 2005, el laboratorio fue dirigido por Michael S. Witherell. El 19 de noviembre de 2004 se anunció que Piermaria Oddone, que había trabajado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de California, sería el nuevo director del Fermilab. Oddone comenzó su mandato como director el 1 de julio de 2005.

El Fermilab sigue participando en el trabajo del LHC, incluso como sitio de nivel 1 en la red mundial de computación del LHC. El Estado de Illinois está financiando un nuevo edificio del Centro de Investigación de Aceleradores de Illinois en el Fermilab para los científicos y socios industriales.

Aceleradores

La primera etapa del proceso de aceleración tiene lugar en el generador Cockcroft-Walton. Consiste en tomar hidrógeno gaseoso y convertirlo en⁻ iones H introduciéndolo en un recipiente revestido de electrodos de molibdeno: un cátodo del tamaño de una caja de cerillas, de forma ovalada, y un ánodo circundante, separados por 1 mm y mantenidos por aislantes de cerámica de vidrio. Se utiliza un magnetrón para generar un plasma que forme H ⁻cerca de la superficie del metal. El generador Cockcroft-Walton aplica un campo electrostático de 750 keV y los iones son acelerados fuera del contenedor. El siguiente paso es el acelerador lineal (o linac), que acelera las partículas hasta los 400 MeV, es decir, aproximadamente el 70% de la velocidad de la luz. Justo antes de entrar en el siguiente acelerador, los iones H ⁻pasan por una lámina de carbono, convirtiéndose en iones H ⁺(protones).

El siguiente paso es el anillo de refuerzo. El anillo booster es un acelerador circular de 468 m de circunferencia que utiliza imanes para curvar los haces de protones en una trayectoria circular. Los protones procedentes del Linac viajan alrededor del Booster unas 20.000 veces en 33 milisegundos, de modo que experimentan repetidamente campos eléctricos. Con cada revolución, los protones recogen más energía y salen del Booster con 8 GeV. El Inyector Principal es el siguiente eslabón de la cadena del acelerador. Terminado en 1999, se ha convertido en el "patio de maniobras de partículas" del Fermilab con tres funciones: acelera protones, entrega protones para la producción de antiprotones y acelera antiprotones procedentes de la fuente de antiprotones. El último acelerador fue el Tevatrón. Era el segundo acelerador de partículas más potente del mundo (el Gran Colisionador de Hadrones del CERN es el más potente). Viajando casi a la velocidad de la luz, los protones y antiprotones rodean el Tevatrón en direcciones opuestas. Los físicos coordinan los haces para que colisionen en los centros de dos detectores de 5.000 toneladas DØ y CDF dentro del túnel del Tevatrón a energías de 1,96 TeV, revelando las condiciones de la materia en el universo primitivo y su estructura a la escala más pequeña. El Tevatrón se está convirtiendo en un museo.

El acelerador lineal también cuenta con una instalación de tratamiento médico. Los médicos tratan a las personas con cáncer disparando protones o neutrones desde el acelerador hacia sus tumores.

Experimentos

Holómetro interferómetro
Colisionador de protones y antiprotones Tevatron: DØ y Detector del Colisionador en el Fermilab
MiniBooNE: Experimento del Mini Booster Neutrino
Sciboone: Experimento de neutrinos de SciBar Booster
MINOS: Búsqueda de Oscilación de Neutrinos en el Inyector Principal
MINERνA: Experimento del inyector principal con νs en As
NOνA: _eAspecto de NuMI fuera del eje ν
MIPP: Producción de partículas del inyector principal

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi?

R: El Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de EE.UU. especializado en la física de partículas de alta energía.

P: ¿Quién gestiona Fermilab?

R: Desde el 1 de enero de 2007, Fermilab está gestionado por la Alianza de Investigación Fermi, una empresa conjunta de la Universidad de Chicago, el Instituto de Tecnología de Illinois y la Asociación de Investigación de Universidades (URA).

P: ¿Para qué se utilizó el acelerador de partículas Tevatron?

R: El acelerador de partículas Tevatron se utilizó para descubrir el quark top y realizar experimentos de física de colisionadores de alta energía.

P: ¿Qué otros tipos de experimentos se realizan en el Fermilab?

R: Además de la física de los colisionadores de alta energía, el Fermilab también alberga experimentos más pequeños de objetivo fijo y de neutrinos como MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) y MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).

P: ¿Qué tamaño tiene el detector MiniBooNE?

R: El detector MiniBooNE es una esfera de 40 pies (12 m) de diámetro que contiene 800 toneladas de aceite mineral revestido con 1520 fototubos detectores individuales.

P: ¿Qué distancia recorre el haz NuMI desde Fermilab?

R: El haz NuMI viaja 732 km (455 millas) desde Fermilab hasta la mina de Soudan, en Minnesota.

P: ¿Qué programas ha puesto en marcha el Fermilab en su superficie terrestre?

R: En su superficie terrestre, el Fermilab ha iniciado un experimento de restauración de la pradera original de Illinois, así como una granja para criar una manada de bisontes americanos.