El termómetro más grande y preciso del mundo para estudiar la partícula más misteriosa

Saber de qué está compuesto el universo y aportar nuevas respuestas sobre su origen requiere experimentos a gran escala con infraestructuras descomunales. Una prueba es el Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE), que albergará en la próxima década un nuevo acelerador y dos nuevos detectores que utilizará el haz de neutrinos --una misteriosa partícula fundamental capaz de oscilar entre tres estados diferentes de la materia y de pasar por el espacio vacío de los átomos casi a la velocidad de la luz sin dejar rastro-- más potente del mundo, en un trazado de 1.300 kilómetros por el subsuelo de Estados Unidos, a una profundad de 1,5 kilómetros de profundidad para evitar la interferencia de otras partículas más pesadas.

Para comprobar el funcionamiento de la tecnología de semejante megaproyecto, en las instalaciones del CERN en Ginebra (Suiza), los investigadores trabajan en el prototipo ProtoDUNE, dos contenedores separados en forma de cubo de ocho metros de alto que contienen 800 toneladas de argón líquido, donde se sumergen unos detectores de partículas muy precisos capaces de ver en tres dimensiones el paso de las partículas cargadas que los atraviesan. Pero para que funcione, los grados del argón, un gas a temperatura ambiente que necesita mantenerse a -184ºC en estado líquido, deben mantenerse a raya. Con la misión de asegurar que la temperatura sea homogénea, un equipo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), Centro de Excelencia Severo Ochoa del CSIC y la Universitat de València, ha desarrollado el termómetro más grande y preciso en el campo de la física de neutrinos: un criostato con un volumen interno de medio millón de litros.

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Además de controlar que el argón se mantenga líquido, el correcto funcionamiento del detector exige que las variaciones de temperatura dentro del criostato estén por debajo de dos centésimas de grado, un reto que requiere un sistema muy preciso de medición de la temperatura. Con ese fin, una quincena de científicos, ingenieros y técnicos del IFIC han diseñado una estructura de fibra de vidrio de casi ocho metros de largo en la que han insertado 48 sensores de platino para alcanzar una precisión de hasta tres milésimas de grado. Este sistema está rodeado por una jaula de Faraday, que lo protege del campo eléctrico.

“Si hay grandes diferencias de temperatura, puede que el argón no recircule bien en el interior de la caja y quede estancado impidiendo que el detector funcione. Hay que asegurarse de que el argón se mueve correctamente dentro de la caja y que se purifique de la forma adecuada. La forma de saber cómo evoluciona la temperatura en función de la altura es con este termómetro que permite observar diferencias de tres milésimas, una resolución diez veces mejor a lo que se necesita, ya que la diferencia que se requiere controlar es de 2 centésimas. Sin este termómetro iríamos a ciegas. Es el sistema que asegura el correcto funcionamiento del detector”, explica Anselmo Cervera, Científico Titular del CSIC en el IFIC y responsable del sistema de medición de temperatura de ProtoDUNE, que se instaló el pasado 27 de junio en el CERN.

Conocer el origen de la materia

Para estimar el alcance de este nuevo termómetro basta una comparación. El sistema de criogenia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que distribuye helio superfluido a -271,3 °C por el anillo de acelerador para refrigerar los imanes superconductores, no requiere el nivel de precisión de los criostatos desarrollados por el IFIC. “El argón líquido es una nueva tecnología que no se había dado nunca para el estudio de oscilaciones de neutrinos, con una precisión mucho mayor que los detectores que se utilizan en estos momento para ese tipo de física”, señala Cervera.

El detector final DUNE, en Estados Unidos, que pretende dar respuestas sobre el origen de la materia, supone el desarrollo de cuatro módulos detectores de carga con un tamaño veinte veces superior al prototipo recién instalado ahora en el CERN, en cuyos sistemas de monitorización de temperatura también trabajará el equipo del IFIC para asumir el reto de construir un total de 24 termómetros de 16 metros de alto, una labor que comenzará dentro de dos o tres años para que empiecen a tomar datos en 2026.

El IFIC también trabaja en otras labores vinculadas al DUNE, como los estudios para medir la desintegración del protón, el desarrollo de herramientas para el análisis de datos y prototipos, el diseño y la futura instalación del sistema de detección de luz de uno de los cuatro gran detectores del experimento, o la realización de simulaciones para determinar parámetros aún desconocidos como la posible diferencia de comportamiento entre neutrinos y antineutrinos, una información clave para entender por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria.

“Los detectores de neutrinos son muy grandes porque tratan de estudiar partículas que interaccionan muy poco. El problema de construir detectores tan enormes es que no suelen ser muy precisos. Es la primera vez que se desarrolla un detector de esta precisión a ese tamaño, y el termómetro hace que el detector funcione y permite aprender qué cosas hay que mejorar para el detector final”, indica el responsable del termómetro de ProtoDUNE, que contribuye a la física que pretende desentrañar las propiedades de los neutrinos. “Intentamos buscar una simetría entre materia y antimateria para poder explicar por qué el Universo se decantó por la materia en lugar de por la antimateria. Lo más importante es que este experimento tratará de medir la simetría entre ambas e intentará explicar el origen del Universo”, concluye Cervera.