Comienza la caza de part¨ªculas fantasma para detectar las supernovas invisibles
El mayor detector de part¨ªculas de Jap¨®n ver¨¢ por primera vez neutrinos que emiten las estrellas al morir
Para visitar Super-Kamiokande, uno de los mayores detectores de part¨ªculas del mundo, hay que recorrer un t¨²nel que conduce al interior de la Tierra. En el coraz¨®n del monte Ikeno, en Jap¨®n, hay una mina abandonada a un kil¨®metro de profundidad donde descansa una cisterna enorme y brillante. Su interior est¨¢ forrado con 11.000 sensores, cada uno con la forma de una gran bombilla, y todos ellos sumergidos en 50.000 toneladas de agua pura. Tras una extensa renovaci¨®n completada a finales de enero, este instrumento cient¨ªfico est¨¢ listo para dar un paso nuevo en la historia de la ciencia: detectar, por primera vez, los neutrinos que desprenden todas las estrellas muertas del universo.
El inmenso volumen de Super-K ¡ªunos cuarenta metros de alto y otros tantos de di¨¢metro¡ª es necesario para que tenga alguna oportunidad de atrapar a los min¨²sculos neutrinos, ya que estas part¨ªculas fantasma no tienen carga el¨¦ctrica y literalmente atraviesan el espacio vac¨ªo de los ¨¢tomos. La presencia de un neutrino solo se registra cuando, por casualidad, alguno choca contra un n¨²cleo o un electr¨®n en el agua, y as¨ª desprende un breve destello de luz que captan los sensores. Son part¨ªculas muy abundantes, pero las colisiones no ocurren con frecuencia: en cada metro c¨²bico de agua solo se registran tres al a?o, de media.
Una fuente extraordinaria de neutrinos son las supernovas, explosiones que ocurren cuando se colapsa una estrella. ¡°En nuestra galaxia, hay dos o tres supernovas cada siglo, pero en todo el universo, explota una estrella cada segundo¡±, cuenta Irene Tamborra, astrof¨ªsica del Instituto Niels Bohr en Dinamarca. Juntos, los neutrinos desprendidos por todas las detonaciones inundan el espacio. El renovado Super-K promete escrutar por primera vez esta sopa c¨®smica, llamada el fondo difuso de neutrinos, para arrojar luz sobre la historia y el destino del universo.
La reforma del detector ha durado ocho meses y ha costado 1.100 millones de yenes japoneses (8,8 millones de euros). El objetivo era preparar la cisterna de agua para poder disolver, en los pr¨®ximos meses, una peque?a cantidad del metal raro gadolinio: un plan osado para mejorar las detecciones y as¨ª separar del ruido la se?al de las supernovas. EL PA?S ha visitado la mina del monte Ikeno durante los trabajos de reparaci¨®n, en un viaje financiado por el proyecto europeo Elusives. ¡°Es la primera vez que abrimos la cisterna en 12 a?os¡±, explic¨® el director del proyecto, Masayuki Nakahata de la Universidad de Tokio.
Adem¨¢s de reemplazar varios cientos de sensores defectuosos, los trabajadores han tenido que sellar todas las juntas del tanque para solventar una fuga indetectable que hac¨ªa al detector perder l¨ªquido a raz¨®n de una tonelada por d¨ªa. ¡°Cuando solo sal¨ªa agua pura, la fuga no era importante¡±, cuenta Mark Vagins, uno de los dos f¨ªsicos que tuvo la idea de dopar el agua de Super-K con gadolinio, all¨¢ por 2003. Ahora que han convencido a los directores japoneses del experimento para a?adir un elemento de tierras raras, no se pueden permitir la filtraci¨®n.
El fondo difuso de neutrinos
Solo 24 neutrinos emitidos por una supernova se han detectado hasta hoy. Corresponden a la explosi¨®n de una estrella en las Nubes de Magallanes, registrada en 1987. Aquel fue un evento cercano y aislado, al margen del fondo difuso que ahora se busca explorar, y ocurri¨® a?os antes de que Super-K empezase a funcionar, en 1996.
Tamborra, experta en supernovas y ajena a la colaboraci¨®n internacional de Super-K, espera que la nueva estrategia en Jap¨®n permita conocer la distribuci¨®n de los distintos tipos de explosiones estelares que ocurren en el universo. Los telescopios ¨®pticos detectan menos supernovas de las que hay, porque algunas estrellas implosionan para generar espont¨¢neamente un agujero negro, con lo cual no producen un destello de luz visible. ¡°Esta familia de supernovas solo se puede observar y estudiar mediante la detecci¨®n de sus neutrinos¡±, explica la cient¨ªfica.
Dado que el fondo difuso de neutrinos es un reflejo de toda la historia del universo, puede esconder lecciones de cosmolog¨ªa, de astrof¨ªsica y de f¨ªsica nuclear, seg¨²n Luis Labarga, el investigador espa?ol m¨¢s involucrado en la transformaci¨®n de Super-K. Su equipo en el Departamento de F¨ªsica Te¨®rica en la Universidad Aut¨®noma de Madrid impuls¨® la I+D de un prototipo del detector que ya incorporaba gadolinio disuelto (sin la colaboraci¨®n del Ministerio, subraya Labarga). Ha sido fundamental para demostrar la viabilidad del proyecto.
?C¨®mo funciona el gadolinio?
El tipo de neutrino que emiten las supernovas es una part¨ªcula de antimateria: al chocar contra un prot¨®n del hidr¨®geno en el agua, emite un positr¨®n (tambi¨¦n llamado anti-electr¨®n) y un neutr¨®n. El positr¨®n, altamente energ¨¦tico, produce un destello de luz visible para los sensores. ¡°El problema es que muchos fen¨®menos pueden producir un destello similar, por ejemplo las interacciones de los neutrinos de nuestro sol¡±, explica Vagins, que ahora es investigador en el Instituto Kavli para la F¨ªsica y las Matem¨¢ticas del Universo (IPMU) de Jap¨®n.
Vagins y su compa?ero John Beacom, f¨ªsico te¨®rico de la Universidad Estatal de Ohio (EE UU), razonaron que al disolver gadolinio en el agua se podr¨ªan aislar los eventos que provienen de supernovas, porque los ¨¢tomos de este elemento absorben los neutrones libres y en el proceso emiten un segundo destello de luz. Cuando Super-K registre dos destellos muy seguidos (30 microsegundos) en el mismo punto del detector, los cient¨ªficos sabr¨¢n que el primero corresponde a la emisi¨®n del positr¨®n y el segundo, a la del neutr¨®n. As¨ª no habr¨¢ lugar a dudas: solo cabe inferir que la causa inicial fue un antineutrino de supernova.
¡°Vamos a incorporar el gadolinio gradualmente¡±, explica Vagins. El plan es recoger datos solo con agua durante unos meses para asegurarse de que todo funciona con normalidad. A finales de este a?o o principios de 2020 se disolver¨¢ el metal hasta lograr una concentraci¨®n de 0.01%. El mayor reto ha sido dise?ar un sistema de filtrado para el agua que no eliminase el gadolinio. Ya est¨¢ instalado. Vagins, que ha esperado m¨¢s de 15 a?os para ver su idea implementada, concluye: ¡°Es incre¨ªble, la f¨ªsica que se puede lograr con una cisterna grande de agua. Me parece un experimento muy elegante¡±.
El proyecto europeo?Elusives aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives)
Tu suscripci¨®n se est¨¢ usando en otro dispositivo
?Quieres a?adir otro usuario a tu suscripci¨®n?
Si contin¨²as leyendo en este dispositivo, no se podr¨¢ leer en el otro.
FlechaTu suscripci¨®n se est¨¢ usando en otro dispositivo y solo puedes acceder a EL PA?S desde un dispositivo a la vez.
Si quieres compartir tu cuenta, cambia tu suscripci¨®n a la modalidad Premium, as¨ª podr¨¢s a?adir otro usuario. Cada uno acceder¨¢ con su propia cuenta de email, lo que os permitir¨¢ personalizar vuestra experiencia en EL PA?S.
?Tienes una suscripci¨®n de empresa? Accede aqu¨ª para contratar m¨¢s cuentas.
En el caso de no saber qui¨¦n est¨¢ usando tu cuenta, te recomendamos cambiar tu contrase?a aqu¨ª.
Si decides continuar compartiendo tu cuenta, este mensaje se mostrar¨¢ en tu dispositivo y en el de la otra persona que est¨¢ usando tu cuenta de forma indefinida, afectando a tu experiencia de lectura. Puedes consultar aqu¨ª los t¨¦rminos y condiciones de la suscripci¨®n digital.
