El haz de neutrinos m¨¢s potente atravesar¨¢ 1.300 kil¨®metros de la Tierra

Extienda la palma de la mano. Cuente hasta tres. Un bill¨®n de neutrinos acaba de atravesar la piel, el m¨²sculo y los huesos de su mano. Estas min¨²sculas part¨ªculas pasan por el espacio vac¨ªo de los ¨¢tomos casi a la velocidad de la luz en un viaje interestelar que no deja rastro. El Experimento de Neutrinos Subterr¨¢neo Profundo (DUNE, por sus siglas en ingl¨¦s) proyecta un nuevo acelerador y dos nuevos detectores de un haz de neutrinos que recorrer¨¢ 1.300 kil¨®metros por el subsuelo de Estados Unidos. La prueba puede aportar respuestas sobre el origen del universo.

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Los neutrinos son tan ligeros y escurridizos que pueden atravesar un a?o luz de plomo macizo sin despeinarse. Y, sin embargo, los cient¨ªficos han conseguido atraparlos. A cien metros bajo tierra, en un laboratorio a las afueras de Chicago (EE UU) existe una cueva que alberga un contenedor met¨¢lico del tama?o de un autob¨²s, repleto de luces, instrumentos de medici¨®n y cables. Es un detector de neutrinos.

Estas part¨ªculas subat¨®micas ostentan varios r¨¦cords en el campo de la f¨ªsica. Son los corp¨²sculos de materia m¨¢s abundantes del universo y, a pesar de ello, siguen siendo un rompecabezas. Esto es porque tambi¨¦n son los m¨¢s peque?os, lo cual impide estudiarlos directamente. Nadie sabe cu¨¢l es su masa, pero los experimentos indican que debe de ser al menos 100.000 veces menor que la del electr¨®n, que es la siguiente part¨ªcula menos pesada. Adem¨¢s, no tienen carga el¨¦ctrica, por lo que raramente interact¨²an con otros cuerpos.

Aunque los neutrinos pueden venir de muchos sitios ¡ªcomo las estrellas o los pl¨¢tanos¡ª, su mayor fuente terrestre es un acelerador de part¨ªculas que arroja protones contra un bloque de grafito y est¨¢ cerca de esa cueva de EE UU, en las instalaciones del laboratorio de ciencia b¨¢sica Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory). Los cient¨ªficos creen que estas part¨ªculas podr¨ªan ser la clave para descubrir f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del Modelo Est¨¢ndar, el marco te¨®rico incompleto que describe el comportamiento de la materia.

Un detector m¨¢s grande que el de Chicago se encuentra enterrado a 800 kil¨®metros de distancia, en la mina Soudan del estado de Minessota. Juntos forman el experimento NO¦ÍA. Los cient¨ªficos estadounidenses han creado el haz de neutrinos ¡ªque atraviesa el detector cercano y el lejano, adem¨¢s de toda la materia de la corteza terrestre que los separa¡ª para tener las mejores posibilidades de observar estas part¨ªculas y de estudiar su extra?o comportamiento. Los neutrinos son como fantasmas, invisibles a los instrumentos de la ciencia, pero muy de vez en cuando alguno colisiona con un ¨¢tomo del fluido que hay dentro de los detectores. Esto produce part¨ªculas con carga el¨¦ctrica que dejan rastros visibles. Encontrarlos, entonces, se convierte en cuesti¨®n de cifras: cuanto m¨¢s denso sea el chorro que sale del acelerador, mayor probabilidad hay de que alg¨²n neutrino choque contra un ¨¢tomo en el detector.

Pero NO¦ÍA es solo el principio. Esta instalaci¨®n, que desde 2014 es el mayor experimento de neutrinos de larga distancia, est¨¢ abriendo camino para algo mucho mayor: DUNE. Un nuevo acelerador y un nuevo detector ser¨¢n el punto de partida para un haz de neutrinos que viajar¨¢ desde Fermilab hasta el Centro de Investigaci¨®n Subterr¨¢neo de Sanford (SURF), en Dakota del Sur. All¨ª, a un kil¨®metro y medio de profundidad, los investigadores de la colaboraci¨®n internacional DUNE pretenden enterrar el mayor detector de la historia: cuatro m¨®dulos del tama?o de una piscina ol¨ªmpica cada uno, pero seis veces m¨¢s profundos, rellenos con 17.000 toneladas de arg¨®n l¨ªquido.

El misterio de los sabores

DUNE, que se prev¨¦ estar¨¢ operativo durante la d¨¦cada de 2020, est¨¢ dise?ado para detectar un fen¨®meno conocido como oscilaci¨®n de neutrinos (cuyo descubrimiento fue motivo de Premio Nobel hace tres a?os). Existen neutrinos de tres tipos, o sabores, como los llaman los f¨ªsicos: el neutrino mu¨®n, el neutrino electr¨®n y el neutrino tau. La oscilaci¨®n es otra propiedad ¨²nica de estas part¨ªculas que les permite cambiar de sabor al viajar: un neutrino puede salir de Fermilab de tipo mu¨®n y en 0,004 segundos llegar a Dakota del Sur como un neutrino electr¨®n, o como uno tau. Los cient¨ªficos son capaces de distinguirlos porque cada tipo produce una part¨ªcula distinta al chocar contra un ¨¢tomo: un mu¨®n, un electr¨®n o un tau, respectivamente (el mu¨®n y el tau son hermanos m¨¢s pesados e inestables del electr¨®n).

Lo m¨¢s curioso de las masas ¡ªtodav¨ªa desconocidas¡ª de los neutrinos es que no son fijas, sino que cada sabor est¨¢ compuesto por una mezcla de tres masas posibles. Este fen¨®meno tan poco intuitivo es consecuencia de las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Aunque los cient¨ªficos han calculado la diferencia matem¨¢tica entre las tres masas, desconocen su ordenaci¨®n: podr¨ªa haber dos grandes y una peque?a o una grande y dos peque?as. Como el proceso de oscilaci¨®n de sabores que DUNE estudiar¨¢ depende de esta jerarqu¨ªa, los f¨ªsicos esperan que el experimento pueda resolver el misterio de la masa de los neutrinos.

¡°Esa informaci¨®n la verdad es que nos trae locos desde hace mucho tiempo¡±, dice Alfredo Aranda, un f¨ªsico te¨®rico de la Universidad de Colima, en M¨¦xico, que participa en la colaboraci¨®n del experimento DUNE. Para ¨¦l, conocer la escala definitiva del neutrino m¨¢s ligero es la respuesta a a?os de investigaci¨®n, pero tambi¨¦n la posible ventana a un campo nuevo de estudio m¨¢s all¨¢ del Modelo Est¨¢ndar. Por ejemplo, casi todos los f¨ªsicos creen que los neutrinos adquieren su masa por alg¨²n proceso a¨²n no descrito, distinto a la interacci¨®n con el bos¨®n de Higgs, que es la famosa part¨ªcula cuyo campo da masa a toda la dem¨¢s materia conocida.

Para otros investigadores, la ordenaci¨®n de las masas de los neutrinos no es intr¨ªnsecamente tan interesante, pero s¨ª supondr¨ªa un descubrimiento importante porque clarificar¨ªa algunas mediciones en otras v¨ªas de investigaci¨®n. ¡°Si logramos entender la jerarqu¨ªa de las masas, podemos simplificar nuestro estudio de las oscilaciones porque eliminamos muchas inc¨®gnitas¡±, explica a EL PA?S Steve Brice, el jefe de la divisi¨®n de neutrinos de Fermilab, durante una visita de este peri¨®dico al laboratorio financiada por la red?Elusives. Un estudio m¨¢s detallado de las oscilaciones como el que pretende ofrecer DUNE, dice Brice, es emocionante porque podr¨ªa responder a una de las preguntas m¨¢s grandes de la f¨ªsica: ?por qu¨¦ el universo est¨¢ hecho de materia y no de antimateria?

Durante el Big Bang, se cree que aparecieron part¨ªculas y antipart¨ªculas ¡ªde masa id¨¦ntica pero con carga opuesta¡ª a partes iguales. Cuando la materia se encuentra con la antimateria, ambas se desintegran espont¨¢neamente y liberan energ¨ªa. Sin embargo, en el universo actual domina la materia, lo cual sugiere un desequilibrio en el comportamiento de estas masas enfrentadas. El acelerador de Fermilab es capaz de producir neutrinos y antineutrinos (ambos existen a pesar de tener carga neutra); si se descubre que oscilan a distinto ritmo, los f¨ªsicos habr¨¢n conseguido una pista para explicar la asimetr¨ªa c¨®smica.

Una carrera contra la pr¨®xima supernova

DUNE es un proyecto inmenso, tan grande que ¡°ning¨²n pa¨ªs de la Tierra ser¨ªa capaz de completarlo solo¡±, seg¨²n Brice. Por eso cuenta con la participaci¨®n de universidades y centros de investigaci¨®n en m¨¢s de 30 pa¨ªses. En Espa?a, una decena de f¨ªsicos est¨¢ colaborando en el dise?o y la prueba de protoDUNE: dos detectores de arg¨®n l¨ªquido en el laboratorio europeo CERN (Ginebra). Estos aparatos son los prototipos del detector lejano de DUNE y, aunque solo ocupan un 1% del volumen que tendr¨¢ el instrumento final, ya son enormes.

¡°El objetivo de protoDUNE es ver si tecnol¨®gicamente podemos hacer detectores tan grandes¡±, explica Mario Mart¨ªnez-P¨¦rez, investigador del Instituto de F¨ªsica de Altas Energ¨ªas (IFAE) en Barcelona y gestor del plan nacional de f¨ªsica de part¨ªculas. ¡°Tenemos que comprobar que la tecnolog¨ªa escala con el volumen¡±. Gracias a este trabajo, los cient¨ªficos de CERN dise?ar¨¢n el primer contenedor refrigerador para DUNE, que deber¨¢ mantener el arg¨®n l¨ªquido del detector a 184 grados cent¨ªgrados bajo cero.

En Fermilab, Christopher Mossey dice que ¡°es la primera vez que CERN proporciona algo as¨ª para un experimento fuera de Europa en sus 60 a?os de historia¡±. ?l es director adjunto del proyecto LBNF, la parte administrativa del experimento encargada de preparar las instalaciones. Entre otras tareas, LBNF debe excavar 800.000 toneladas de roca para colocar los detectores. Y lo debe hacer con cierta urgencia, seg¨²n Mossey: ¡°DUNE tiene varios objetivos cient¨ªficos, y uno de ellos es detectar los neutrinos que emite una supernova. Normalmente esto ocurre [en nuestra galaxia] cada cuarto de siglo. La siguiente ya va tarde. Ser¨ªa una l¨¢stima terminar, y activar el interruptor, por as¨ª decirlo, dos semanas despu¨¦s del acontecimiento¡±.

Si una estrella cercana muere en los pr¨®ximos a?os y produce una supernova, los cient¨ªficos podr¨¢n, por primera vez, observar la formaci¨®n de un agujero negro en tiempo real. ¡°Muchas supernovas se convierten en agujeros negros¡±, se?ala Steve Brice, ¡°cuando esto ocurre, absorben los neutrinos que estaban emitiendo; la fuente de neutrinos se corta de golpe¡±. Desde la Tierra, el detector observar¨ªa un flujo copioso y repentino de neutrinos seguido de un abrupto vac¨ªo: el nacimiento de un agujero negro. Esta parte del experimento podr¨ªa estar lista tan pronto como 2022, ya que no depende de la activaci¨®n del nuevo haz de neutrinos de Fermilab, prevista para 2026.

Bruno Mart¨ªn?forma parte del proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).