Jap¨®n estudia el origen del universo debajo de una monta?a

Para responder a preguntas esenciales como por qu¨¦ existimos o c¨®mo es la naturaleza del universo, hace tiempo que no bastan las cabezas privilegiadas de un pu?ado de fil¨®sofos. En la actualidad, algunas de las m¨¢quinas m¨¢s sofisticadas jam¨¢s construidas se dedican a recabar informaci¨®n para poder contestar a estas cuestiones profundas con algo m¨¢s que especulaciones. El m¨¢s famoso de estos artefactos es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el acelerador de part¨ªculas de 6.000 millones de euros construido junto a Ginebra (Suiza) que captur¨® el bos¨®n de Higgs, pero existen otros con objetivos igual de ambiciosos.

Desde hace m¨¢s de dos d¨¦cadas, los neutrinos se convirtieron en los peculiares mensajeros elegidos por Jap¨®n para obtener informaci¨®n sobre algunos de los mayores enigmas del cosmos. Estas part¨ªculas no tienen carga el¨¦ctrica e interact¨²an tan poco con el resto de la materia que podr¨ªan atravesar un bloque de plomo de m¨¢s de un a?o luz de grosor. Con esas caracter¨ªsticas son capaces de viajar grandes distancias sin verse afectados por los campos magn¨¦ticos gal¨¢cticos que desv¨ªan a otras part¨ªculas cargadas como las que componen los rayos c¨®smicos. Por eso es m¨¢s f¨¢cil determinar su origen y ya se consideran una herramienta ¨²til para estudiar monstruos espaciales como las supernovas o los agujeros negros. Pero esa es solo una de las posibilidades que ofrecen los neutrinos, unos fantasmas subat¨®micos que desde hace d¨¦cadas han proporcionado resultados asombrosos.

A principios de los 80, en la mina de Kamioka, a un kil¨®metro bajo Tierra, se construy¨® el Observatorio Subterr¨¢neo de Kamioka. El primer gran experimento que se instal¨® all¨ª no buscaba neutrinos. Protegido por metros de roca que filtran los rayos c¨®smicos que constantemente bombardean la Tierra y provocan interferencias en los detectores m¨¢s sensibles, esta construcci¨®n buscaba observar algo nunca visto: la desintegraci¨®n de un prot¨®n, una de las part¨ªculas fundamentales que componen toda la materia que nos rodea. La materia es estable, en parte, porque los protones son estables, pero se cree que esto no ha sido as¨ª siempre. Observar a un prot¨®n desintegr¨¢ndose ser¨ªa como viajar a un tiempo antiqu¨ªsimo, cuando el universo a¨²n estaba muy caliente, y ser¨ªa la prueba de que, a muy altas energ¨ªas, las tres interacciones fundamentales que ahora se conocen (nuclear d¨¦bil, responsable de la radiactividad, nuclear fuerte, que mantiene los n¨²cleos at¨®micos unidos, y electromagn¨¦tica) ser¨ªan una sola.

Hyper Kamiokande tratar¨¢ de observar la desintegraci¨®n del prot¨®n, un fen¨®meno nunca visto

La tarea no era sencilla. Un prot¨®n tiene una vida media mayor de 10³⁴ a?os y ponerse a vigilar a uno solo esperando que se desintegre era una tarea demencial. Para incrementar la probabilidad de capturar este extra?o fen¨®meno sin tener que esperar hasta el fin de los tiempos, era necesario reunir una cantidad ingente de protones. La forma m¨¢s f¨¢cil y barata de lograrlo era construir un gran tanque de agua, que, como toda la materia, est¨¢ compuesta por un mont¨®n de protones, y colocar a su alrededor detectores de luz que pudiesen recoger la desintegraci¨®n. Ese proyecto fue bautizado como KamiokaNDE.

El filtro de roca que cubr¨ªa la mina de Kamioka protegi¨® el experimento de los rayos c¨®smicos, pero ten¨ªa poco que hacer frente a los fantasmag¨®ricos neutrinos, y estas part¨ªculas imparables se colaron en KamiokaNDE. Sin embargo, en lugar de malograr sus resultados, les dieron un nuevo sentido. El proyecto nunca logr¨® detectar la desintegraci¨®n de un prot¨®n, pero obtuvo un resultado fascinante. ¡°En 1987, se produjo una supernova en la Nube de Magallanes, una galaxia vecina a la nuestra relativamente cercana a la Tierra¡±, explica Luis Labarga, director del departamento de f¨ªsica te¨®rica de la UAM y especialista en neutrinos. ¡°Los detectores de KamiokaNDE observaron un flujo de neutrinos claramente fuera de lo normal y al analizar la procedencia de estas part¨ªculas entrantes vieron que llegaban desde la Nube de Magallanes, donde se hab¨ªa visto la supernova¡±, contin¨²a Labarga.

Hasta hace muy poco, aquellos hab¨ªan sido los primeros neutrinos originados fuera del Sistema Solar observados en la Tierra. Fue el descubrimiento de una nueva herramienta para estudiar algunos de los fen¨®menos m¨¢s violentos del universo y por este hallazgo Masatoshi Koshiba, director de los experimentos en Kamioka, recibi¨® el Nobel de F¨ªsica en 2002.

Observar a un prot¨®n desintegr¨¢ndose ser¨ªa como viajar a un tiempo antiqu¨ªsimo, cuando el universo a¨²n estaba muy caliente

Despu¨¦s de aquel ¨¦xito, la apuesta japonesa por aquel observatorio se increment¨®. En los 90 se construy¨® un nuevo detector, Super Kamiokande, que tratar¨ªa de comprobar si los neutrinos oscilan y cambian de sabor cuando viajan a trav¨¦s del espacio. Este fen¨®meno explicar¨ªa una discrepancia entre los neutrinos que se calculaba que deb¨ªan producirse en el sol y los que llegaban a la Tierra y permitir¨ªa concluir que, frente a lo que se pensaba hasta entonces, los neutrinos tienen masa. Para llevar a cabo este experimento, se construy¨® un tanque descomunal, de 45 metros de di¨¢metro por 45 metros de altura, que se llen¨® con 50.000 toneladas de agua pura. Como en el caso anterior, Super Kamiokande cumpli¨® su objetivo y ahora se conoce que los neutrinos tienen masa, otro triunfo que podr¨ªa llegar a merecer un Nobel.

A finales de enero, se ha anunciado un nuevo reto para la f¨ªsica de part¨ªculas. Un grupo internacional de cient¨ªficos de 13 pa¨ªses, entre los que se encuentra Luis Labarga como l¨ªder del proyecto en Espa?a, quiere poner en marcha Hyper Kamiokande. Este proyecto, que tiene un presupuesto estimado de alrededor de 800 millones de d¨®lares, supone construir un observatorio 20 veces mayor que Super Kamiokande, con un mill¨®n de toneladas de agua. A su alrededor, se colocar¨¢n 100.000 receptores de luz ultrasensibles, un 50% m¨¢s que los del observatorio anterior. Toda esta tecnolog¨ªa servir¨¢, en parte, para volver a intentar un logro que no fue posible hace casi tres d¨¦cadas: detectar la desintegraci¨®n de un prot¨®n.

"M¨¢s importante que el higgs"

¡°La comunidad cient¨ªfica se ha olvidado un poco de la desintegraci¨®n del prot¨®n, pero en el momento en que se descubra, se revolucionar¨¢ la f¨ªsica porque eso significar¨ªa que a altas energ¨ªas se unifican todas las fuerzas¡±, plantea Labarga. ¡°Lo que se recoge en el Modelo Est¨¢ndar [el marco que mejor sirve para explicar el funcionamiento de la materia hasta ahora] es una degeneraci¨®n de una interacci¨®n fundamental a alta energ¨ªa¡±, a?ade. ¡°La observaci¨®n de la desintegraci¨®n del prot¨®n ser¨ªa m¨¢s importante que la observaci¨®n del bos¨®n de Higgs¡±, sugiere. Adem¨¢s de permitir echar un vistazo al universo en su origen, esta observaci¨®n ofrecer¨¢ una idea sobre c¨®mo ser¨¢ su final. Con los ladrillos b¨¢sicos que componen la materia desintegr¨¢ndose en positrones y rayos gamma, la radiaci¨®n acabar¨ªa haci¨¦ndose con el cosmos.

Este ep¨ªlogo radiactivo ser¨ªa, de alguna manera, el final diferido de algo que pudo haber sucedido mucho antes. Seg¨²n las teor¨ªas f¨ªsicas m¨¢s aceptadas, despu¨¦s del Big Bang se cre¨® una cantidad id¨¦ntica de materia y de antimateria. Cada vez que una part¨ªcula de un bando entraba en contacto con una del otro, ambas se desintegraban en un gran estallido que solo dejaba tras de s¨ª radiaci¨®n. Sin embargo, como resulta evidente hoy, en los primeros instantes de existencia del universo, se produjo un peque?o desequilibrio que acab¨® dando una victoria casi absoluta a la materia.

Una de las maneras en que se puede estudiar la rotura de este equilibrio, conocido como CP, es midiendo aspectos muy precisos de las oscilaciones de los neutrinos. Para detectar esas interacciones, se lanzar¨ªa un rayo de estas part¨ªculas de alta intensidad desde el acelerador J-PARC, a 300 kil¨®metros de distancia de Kamioka, que se analizar¨ªa a su llegada en el gigantesco detector de Hyper Kamiokande. ¡°Esa violaci¨®n de CP es esencial para entender la asimetr¨ªa que hoy vemos que existe entre materia y antimateria¡±, apunta Labarga.

Para aspirar a resolver estos enigmas, los cient¨ªficos japoneses y los del resto de pa¨ªses implicados en el proyecto deber¨¢n utilizar todos sus encantos para convencer a sus gobiernos de que la b¨²squeda merece los cientos de millones que tratan de reunir. El pasado 31 de diciembre, en la ciudad de Kashiwa, se produjo la primera reuni¨®n para empezar con el trabajo, que se prolongar¨¢ durante los pr¨®ximos tres a?os. Si tienen ¨¦xito, en 2025 Hyper Kamiokande podr¨¢ empezar a recabar informaci¨®n con la que entender un poco mejor el universo en que vivimos.