El Japó estudia l’origen de l’univers sota una muntanya

Per respondre preguntes essencials com per què existim o com és la naturalesa de l'univers, fa temps que no basten les ments privilegiades d'un grapat de filòsofs. En l'actualitat, algunes de les màquines més sofisticades que s'han construït es dediquen a recaptar informació per poder contestar aquestes qüestions profundes amb una mica més que especulacions. El més famós d'aquests artefactes és el Gran Col·lisionador d'Hadrons del CERN, l'accelerador de partícules de 6.000 milions d'euros construït al costat de Ginebra (Suïssa) que va capturar el bosó de Higgs, però n'hi ha d'altres amb objectius igual d'ambiciosos.

Des de fa més de dues dècades, els neutrins es van convertir en els missatgers peculiars triats pel Japó per obtenir informació sobre alguns dels enigmes més grans del cosmos. Aquestes partícules no tenen càrrega elèctrica i interactuen tan poc amb la resta de la matèria que podrien travessar un bloc de plom de més d'un any llum de grossor. Amb aquestes característiques són capaces de viatjar grans distàncies sense veure's afectades pels camps magnètics galàctics que desvien a altres partícules carregades com les que componen els rajos còsmics. Per això és més fàcil determinar-ne l'origen i ja es consideren una eina útil per estudiar monstres espacials com les supernoves o els forats negres. Però aquesta és només una de les possibilitats que ofereixen els neutrins, uns fantasmes subatòmics que des de fa dècades han proporcionat resultats sorprenents.

A principis dels vuitanta, a la mina de Kamioka, a un quilòmetre sota Terra, es va construir l'Observatori Subterrani de Kamioka. El primer gran experiment que s'hi va instal·lar no buscava neutrins. Protegit per metres de roca que filtren els rajos còsmics que constantment bombardegen la Terra i provoquen interferències en els detectors més sensibles, aquesta construcció buscava observar alguna cosa mai vista: la desintegració d'un protó, una de les partícules fonamentals que componen tota la matèria que ens envolta. La matèria és estable, en part, perquè els protons són estables, però es creu que això no ha estat així sempre. Observar un protó desintegrant-se seria com viatjar a un temps molt antic, quan l'univers encara estava molt calent, i seria la prova que, a molt altes energies, les tres interaccions fonamentals que ara es coneixen (nuclear feble, responsable de la radioactivitat, nuclear fort, que manté els nuclis atòmics units, i electromagnètica) serien una sola.

Hyper Kamiokande intentarà observar la desintegració del protó, un fenomen mai vist

La tasca no era senzilla. Un protó té una vida mitjana més llarga de 10³⁴ anys i posar-se a vigilar-ne un, esperant que es desintegri, era una tasca demencial. Per incrementar la probabilitat de capturar aquest estrany fenomen sense haver d'esperar fins a la fi dels temps, era necessari reunir una quantitat ingent de protons. La forma més fàcil i barata d'aconseguir-ho era construir un gran tanc d'aigua, que, com tota la matèria, està composta per un munt de protons, i col·locar al voltant detectors de llum que poguessin recollir la desintegració. Aquest projecte va ser batejat com KamiokaNDE.

El filtre de roca que cobria la mina de Kamioka va protegir l'experiment dels rajos còsmics, però no tenia res a fer davant dels neutrins fantasmagòrics, i aquestes partícules imparables es van colar a KamiokaNDE. Tanmateix, en lloc de malmetre'n els resultats, els van donar un nou sentit. El projecte mai no va aconseguir detectar la desintegració d'un protó, però va obtenir un resultat fascinant. “El 1987, es va produir una supernova al Núvol de Magallanes, una galàxia veïna a la nostra relativament propera a la Terra”, explica Luis Labarga, director del departament de física teòrica de la UAM i especialista en neutrins. “Els detectors de KamiokaNDE van observar un flux de neutrins clarament fora del normal i quan van analitzar la procedència d'aquestes partícules entrants van veure que arribaven des del Núvol de Magallanes, on s'havia vist la supernova”, continua Labarga.

Fins fa molt poc, aquells havien estat els primers neutrins originats fora del Sistema Solar observats a la Terra. Va ser el descobriment d'una nova eina per estudiar alguns dels fenomens més violents de l'univers i per aquesta troballa Masatoshi Koshiba, director dels experiments a Kamioka, va rebre el Nobel de Física el 2002.

Després d'aquell èxit, l'aposta japonesa per aquell observatori es va incrementar. Als anys 90 es va construir un nou detector, Super Kamiokande, que intentaria comprovar si els neutrins oscil·len i canvien de sabor quan viatgen a través de l'espai. Aquest fenomen explicaria una discrepància entre els neutrins que es calculava que havien de produir-se al sol i els que arribaven a la Terra i permetria concloure que, enfront del que es pensava fins llavors, els neutrins tenen massa. Per dur a terme aquest experiment, es va construir un tanc descomunal, de 45 metres de diàmetre per 45 metres d'altura, que es va omplir amb 50.000 tones d'aigua pura. Com en el cas anterior, Super Kamiokande va complir el seu objectiu i ara se sap que els neutrins tenen massa, un altre triomf que podria arribar a merèixer un Nobel.

A final de gener, s'ha anunciat un nou repte per a la física de partícules. Un grup internacional de científics de 13 països, entre els quals es troba Luis Labarga com a líder del projecte a Espanya, vol engegar Hyper Kamiokande. Aquest projecte, que té un pressupost estimat aproximat de 800 milions de dòlars, suposa construir un observatori 20 vegades més gran que Super Kamiokande, amb un milió de tones d'aigua. Al voltant, s'hi col·locaran 100.000 receptors de llum ultrasensibles, un 50% més que els de l'observatori anterior. Tota aquesta tecnologia servirà, en part, per tornar a intentar un assoliment que no serà possible fa gairebé tres dècades: detectar la desintegració d'un protó.

"Més important que el higgs"

“La comunitat científica s'ha oblidat una mica de la desintegració del protó, però en el moment en què es descobreixi, es revolucionarà la física perquè això significaria que a altes energies s'unifiquen totes les forces”, planteja Labarga. “El que es recull en el Model Estàndard [el marc que serveix més bé per explicar el funcionament de la matèria fins ara] és una degeneració d'una interacció fonamental a alta energia”, afegeix. “L'observació de la desintegració del protó seria més important que l'observació del bosó de Higgs”, suggereix. A més de permetre fer un cop d'ull a l'univers a l'origen, aquesta observació oferirà una idea sobre com serà el seu final. Amb els maons bàsics que componen la matèria desintegrant-se en positrons i rajos gamma, la radiació acabaria fent-se amb el cosmos.

Observar un protó desintegrant-se seria com viatjar a un temps molt antic, quan l'univers encara estava molt calent

Aquest epíleg radioactiu seria, d'alguna manera, el final diferit d'alguna cosa que podria haver passat molt abans. Segons les teories físiques més acceptades, després del Big Bang es va crear una quantitat idèntica de matèria i d'antimatèria. Cada vegada que una partícula d'un bàndol entrava en contacte amb una de l'altre, totes dues es desintegraven en un gran esclat que només deixava radiació darrere seu . No obstant això, com a resulta evident avui, en els primers instants d'existència de l'univers, es va produir un petit desequilibri que va acabar donant una victòria gairebé absoluta a la matèria.

Una de les maneres en què es pot estudiar el trencament d'aquest equilibri, conegut com CP, és mesurant aspectes molt precisos de les oscil·lacions dels neutrins. Per detectar aquestes interaccions, es llançaria un raig d'aquestes partícules d'alta intensitat des de l'accelerador J-PARC, a 300 quilòmetres de distància de Kamioka, que s'analitzaria a la seva arribada al detector gegant d'Hyper Kamiokande. “Aquesta violació de CP és essencial per entendre l'asimetria que avui veiem que existeix entre matèria i antimatèria”, apunta Labarga.

Per aspirar a resoldre aquests enigmes, els científics japonesos i els de la resta de països implicats en el projecte hauran d'utilitzar tots els seus encants per convèncer als seus governs que la recerca mereix els centenars de milions que volen reunir. El 31 de desembre passat, a la ciutat de Kashiwa, es va produir la primera reunió per començar amb la feina, que es perllongarà durant els propers tres anys. Si tenen èxit, el 2025 Hyper Kamiokande podrà començar a recaptar informació amb la qual entendre una mica millor l'univers en què vivim.