En una mina de oro abandonada cerca de Deadwood, Dakota del Sur, ha comenzado la construcción de lo que posiblemente sea el mayor experimento científico del mundo. Formo parte de un equipo internacional de unos 1.000 científicos reunidos para diseñar y llevar a cabo este proyecto: el Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE), con el fin de estudiar la partícula de materia más abundante, aunque elusiva, del universo.
Al hacerlo, quizá nos acerquemos un paso más a comprender los orígenes de la materia y a completar el modelo científico de cómo funciona el universo. Por eso, el Gobierno del Reino Unido ha comprometido 65 millones de libras esterlinas al proyecto, lo que convierte al Reino Unido en el segundo mayor contribuyente, después de Estados Unidos.
A los físicos de partículas como yo nos fascinan los neutrinos por sus propiedades inusuales, que podrían estar directamente relacionadas con fenómenos capaces de explicar la estructura del universo. Los neutrinos son una de las partículas fundamentales que no pueden descomponerse en nada más. Están en todas partes, pero son enormemente difíciles de detectar porque prácticamente no tienen masa, no tienen carga y rara vez interactúan con otras partículas.
Unos 100.000 millones de ellos atraviesan las yemas de nuestros dedos cada segundo, pero casi todos cruzan la Tierra sin dejar rastro. La mayoría de estos neutrinos se originan en las reacciones nucleares que alimentan el Sol. También proceden de los rayos cósmicos que chocan contra la atmósfera o de estrellas que explotan. Además, se produjeron en abundancia justo después del nacimiento del universo.
Esto significa que, al estudiar los neutrinos y compararlos con sus contrapartes, los «antineutrinos», quizá podamos averiguar qué ocurrió en los inicios del universo para que estuviera compuesto principalmente de materia y no de antimateria. Los experimentos diseñados para detectar neutrinos también podrían ayudarnos a descubrir si los protones se desintegran, una prueba clave para confirmar algunas ideas de los científicos sobre cómo se pueden explicar todas las fuerzas de la física mediante una «gran teoría unificada».
Para ello, DUNE lanzará haces de neutrinos desde el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi en Illinois, Estados Unidos, a lo largo de un recorrido subterráneo de 1.300 km hasta la Instalación de Investigación Subterránea Sanford en Dakota del Sur. A modo de comparación, el acelerador circular Gran Colisionador de Hadrones que se utilizó para descubrir el bosón de Higgs tiene apenas 27 km de circunferencia, aunque las partículas de DUNE viajarán bajo tierra en lugar de hacerlo por un túnel construido especialmente.
Detección de neutrinos
Los neutrinos se presentan en tres tipos o «sabores», como se los llama: neutrinos electrónicos, muónicos y tauónicos. Los neutrinos que salgan del Fermilab serán en su mayoría de sabor muónico, pero podrían cambiar u «oscilar» mientras viajan. La detección de estas oscilaciones proporcionará respuestas definitivas a las preguntas sobre la naturaleza de los neutrinos y su papel en el universo.
Los neutrinos pueden detectarse registrando la luz, la carga y el tipo de partícula que producen al entrar en contacto con ciertos líquidos. Cuando llega cada neutrino, crea una partícula que corresponde a su sabor. Por ejemplo, un neutrino electrónico producirá un electrón, mientras que un neutrino muónico producirá un muón. Si podemos detectar electrones, sabremos que los neutrinos muónicos cambiaron de sabor mientras viajaban.
DUNE utilizará cuatro grandes tanques, cada uno con 10.000 toneladas de argón líquido a una temperatura de -186 ℃, para detectar los neutrinos con mucha más precisión que los experimentos anteriores, que eran más pequeños o utilizaban tanques llenos de agua. El experimento debe realizarse a aproximadamente una milla bajo tierra para proteger los detectores y evitar que los saturen las señales falsas de neutrinos procedentes de la radiación cósmica que bombardea la Tierra.
La enorme sensibilidad que ofrece este método también ayudará a detectar ráfagas de neutrinos procedentes del espacio. Por ejemplo, en 1987, la explosión de una estrella cercana (una supernova) hizo que todos los detectores de neutrinos del mundo registraran un total de 25 eventos de neutrinos. DUNE podría observar miles de dispersiones de neutrinos en un período de unos diez segundos si ocurriera una supernova similar. Analizar la composición y la estructura temporal de ese pulso de neutrinos revolucionaría nuestra comprensión de las supernovas y de las propiedades de los neutrinos.
Resolver el misterio de la antimateria
Todo esto debería ayudarnos a responder varias preguntas clave sobre los neutrinos, por ejemplo, sobre su masa. Los neutrinos son tan pequeños que probablemente su masa no se origine en el bosón de Higgs, descubierto recientementepor el Gran Colisionador de Hadrones, como ocurre con la mayoría de las demás partículas elementales. En cambio, su masa podría provenir de neutrinos asociados muy pesados que se desintegran muy rápidamente después de formarse.
Estos neutrinos asociados habrían desempeñado un papel clave en la evolución temprana del universo y también podrían ayudar a explicar por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo. DUNE también nos ayudará a averiguar si los neutrinos y sus equivalentes de antimateria, los antineutrinos, se comportan de manera idéntica, lo que aportará más pruebas del predominio de la materia.
Como las grandes cantidades de argón del detector contienen muchos protones, DUNE también es un experimento ideal para buscar la desintegración de protones. Según el «modelo estándar» actual de la física, que describe todas las partículas fundamentales, es imposible que los protones se desintegren. Sin embargo, muchas de las grandes teorías unificadas que los científicos están elaborando para explicar todas las fuerzas del universo (excepto la gravedad) predicen que los protones sí se desintegran, aunque muy lentamente.
Hasta ahora no hay pruebas de la desintegración de protones, pero, si ocurre, DUNE debería poder detectarla y localizarla dentro del argón líquido con precisión milimétrica. Esto podría ayudar a demostrar si alguna de las grandes teorías unificadas es correcta y, de nuevo, aportar más pistas sobre el predominio de la materia frente a la antimateria.
La nueva financiación, junto con el esfuerzo conjunto de científicos de todo el mundo, nos permitirá avanzar según lo previsto para registrar los primeros eventos en DUNE en 2024. Eso significa que, en la próxima década, podríamos haber resuelto algunos de los mayores misterios del universo.
