El haz de neutrinos más potente atravesará 1.300 kilómetros de la Tierra

Extienda la palma de la mano. Cuente hasta tres. Un billón de neutrinos acaba de atravesar la piel, el músculo y los huesos de su mano. Estas minúsculas partículas pasan por el espacio vacío de los átomos casi a la velocidad de la luz en un viaje interestelar que no deja rastro. El Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE, por sus siglas en inglés) proyecta un nuevo acelerador y dos nuevos detectores de un haz de neutrinos que recorrerá 1.300 kilómetros 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 año luz de plomo macizo sin despeinarse. Y, sin embargo, los científicos 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 metálico del tamaño de un autobús, repleto de luces, instrumentos de medición y cables. Es un detector de neutrinos.

Estas partículas subatómicas ostentan varios récords en el campo de la física. Son los corpúsculos de materia más abundantes del universo y, a pesar de ello, siguen siendo un rompecabezas. Esto es porque también son los más pequeños, lo cual impide estudiarlos directamente. Nadie sabe cuál es su masa, pero los experimentos indican que debe de ser al menos 100.000 veces menor que la del electrón, que es la siguiente partícula menos pesada. Además, no tienen carga eléctrica, por lo que raramente interactúan con otros cuerpos.

Aunque los neutrinos pueden venir de muchos sitios —como las estrellas o los plátanos—, su mayor fuente terrestre es un acelerador de partículas que arroja protones contra un bloque de grafito y está cerca de esa cueva de EE UU, en las instalaciones del laboratorio de ciencia básica Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory). Los científicos creen que estas partículas podrían ser la clave para descubrir física más allá del Modelo Estándar, el marco teórico incompleto que describe el comportamiento de la materia.

Un detector más grande que el de Chicago se encuentra enterrado a 800 kilómetros de distancia, en la mina Soudan del estado de Minessota. Juntos forman el experimento NOνA. Los científicos estadounidenses han creado el haz de neutrinos —que atraviesa el detector cercano y el lejano, además de toda la materia de la corteza terrestre que los separa— para tener las mejores posibilidades de observar estas partículas y de estudiar su extraño comportamiento. Los neutrinos son como fantasmas, invisibles a los instrumentos de la ciencia, pero muy de vez en cuando alguno colisiona con un átomo del fluido que hay dentro de los detectores. Esto produce partículas con carga eléctrica que dejan rastros visibles. Encontrarlos, entonces, se convierte en cuestión de cifras: cuanto más denso sea el chorro que sale del acelerador, mayor probabilidad hay de que algún neutrino choque contra un átomo en el detector.

Pero NOνA es solo el principio. Esta instalación, que desde 2014 es el mayor experimento de neutrinos de larga distancia, está abriendo camino para algo mucho mayor: DUNE. Un nuevo acelerador y un nuevo detector serán el punto de partida para un haz de neutrinos que viajará desde Fermilab hasta el Centro de Investigación Subterráneo de Sanford (SURF), en Dakota del Sur. Allí, a un kilómetro y medio de profundidad, los investigadores de la colaboración internacional DUNE pretenden enterrar el mayor detector de la historia: cuatro módulos del tamaño de una piscina olímpica cada uno, pero seis veces más profundos, rellenos con 17.000 toneladas de argón líquido.

El misterio de los sabores

DUNE, que se prevé estará operativo durante la década de 2020, está diseñado para detectar un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos (cuyo descubrimiento fue motivo de Premio Nobel hace tres años). Existen neutrinos de tres tipos, o sabores, como los llaman los físicos: el neutrino muón, el neutrino electrón y el neutrino tau. La oscilación es otra propiedad única de estas partículas que les permite cambiar de sabor al viajar: un neutrino puede salir de Fermilab de tipo muón y en 0,004 segundos llegar a Dakota del Sur como un neutrino electrón, o como uno tau. Los científicos son capaces de distinguirlos porque cada tipo produce una partícula distinta al chocar contra un átomo: un muón, un electrón o un tau, respectivamente (el muón y el tau son hermanos más pesados e inestables del electrón).

Lo más curioso de las masas —todavía desconocidas— de los neutrinos es que no son fijas, sino que cada sabor está compuesto por una mezcla de tres masas posibles. Este fenómeno tan poco intuitivo es consecuencia de las leyes de la mecánica cuántica. Aunque los científicos han calculado la diferencia matemática entre las tres masas, desconocen su ordenación: podría haber dos grandes y una pequeña o una grande y dos pequeñas. Como el proceso de oscilación de sabores que DUNE estudiará depende de esta jerarquía, los físicos esperan que el experimento pueda resolver el misterio de la masa de los neutrinos.

“Esa información la verdad es que nos trae locos desde hace mucho tiempo”, dice Alfredo Aranda, un físico teórico de la Universidad de Colima, en México, que participa en la colaboración del experimento DUNE. Para él, conocer la escala definitiva del neutrino más ligero es la respuesta a años de investigación, pero también la posible ventana a un campo nuevo de estudio más allá del Modelo Estándar. Por ejemplo, casi todos los físicos creen que los neutrinos adquieren su masa por algún proceso aún no descrito, distinto a la interacción con el bosón de Higgs, que es la famosa partícula cuyo campo da masa a toda la demás materia conocida.

Para otros investigadores, la ordenación de las masas de los neutrinos no es intrínsecamente tan interesante, pero sí supondría un descubrimiento importante porque clarificaría algunas mediciones en otras vías de investigación. “Si logramos entender la jerarquía de las masas, podemos simplificar nuestro estudio de las oscilaciones porque eliminamos muchas incógnitas”, explica a EL PAÍS Steve Brice, el jefe de la división de neutrinos de Fermilab, durante una visita de este periódico al laboratorio financiada por la red Elusives. Un estudio más detallado de las oscilaciones como el que pretende ofrecer DUNE, dice Brice, es emocionante porque podría responder a una de las preguntas más grandes de la física: ¿por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria?

Durante el Big Bang, se cree que aparecieron partículas y antipartículas —de masa idéntica pero con carga opuesta— a partes iguales. Cuando la materia se encuentra con la antimateria, ambas se desintegran espontáneamente y liberan energía. 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 físicos habrán conseguido una pista para explicar la asimetría cósmica.

Una carrera contra la próxima supernova

DUNE es un proyecto inmenso, tan grande que “ningún país de la Tierra sería capaz de completarlo solo”, según Brice. Por eso cuenta con la participación de universidades y centros de investigación en más de 30 países. En España, una decena de físicos está colaborando en el diseño y la prueba de protoDUNE: dos detectores de argón líquido 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 tendrá el instrumento final, ya son enormes.

“El objetivo de protoDUNE es ver si tecnológicamente podemos hacer detectores tan grandes”, explica Mario Martínez-Pérez, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Barcelona y gestor del plan nacional de física de partículas. “Tenemos que comprobar que la tecnología escala con el volumen”. Gracias a este trabajo, los científicos de CERN diseñarán el primer contenedor refrigerador para DUNE, que deberá mantener el argón líquido del detector a 184 grados centígrados bajo cero.

En Fermilab, Christopher Mossey dice que “es la primera vez que CERN proporciona algo así para un experimento fuera de Europa en sus 60 años de historia”. Él 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, según Mossey: “DUNE tiene varios objetivos científicos, 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. Sería una lástima terminar, y activar el interruptor, por así decirlo, dos semanas después del acontecimiento”.

Si una estrella cercana muere en los próximos años y produce una supernova, los científicos podrán, por primera vez, observar la formación de un agujero negro en tiempo real. “Muchas supernovas se convierten en agujeros negros”, señala Steve Brice, “cuando esto ocurre, absorben los neutrinos que estaban emitiendo; la fuente de neutrinos se corta de golpe”. Desde la Tierra, el detector observaría un flujo copioso y repentino de neutrinos seguido de un abrupto vacío: el nacimiento de un agujero negro. Esta parte del experimento podría estar lista tan pronto como 2022, ya que no depende de la activación del nuevo haz de neutrinos de Fermilab, prevista para 2026.

Bruno Martín forma parte del proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y física más allá del modelo estándar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).