«El universo no estaba destinado a existir»

Uno ha de tener cuidado con lo que sueña, por si lo que sueña se hace realidad. Al físico Juan Gómez Cadenas le ha tocado exactamente lo que soñaba: 9,3 millones de euros para llevar a cabo uno de los experimentos más sofisticados de los que he oído hablar. Podría explicar el origen del Universo.

Synergy-2020 NEXT-BOLD, que dirige junto al catedrático de Química de la UPV-EHU y director científico de Ikerbasque, Fernando Cossio; y la profesora adjunta de Física de la Universidad de Harvard Roxanne Guenette, podría demostrar que los neutrinos son la respuesta a esa fastidiosa pregunta que deja mudos a los ateos: ¿Qué pasó después del Big Bang?

En este vídeo puedes ver la entrevista completa

 

Gómez Cadenas, profesor Ikerbasque en el Donostia International Physics Center (DIPC), e investigador en el LSC, tiene lo necesario para convertirse en el genio que encontró la respuesta. Está loco. Adora a los neutrinos. Además, escribe novelas y largos poemas en inglés para manejarse con emociones como el amor o la muerte: “Si no escribiera poesía no podría entender el mundo que no es lógico”, me dice. Los escribe en inglés para evitar la sombra de Quevedo corrigiéndole la rima. Por si fuera poco, Gómez Cadenas se emociona como un niño imaginando un neutrino atrapado en su chistera.

El experimento Next lo hará en un laboratorio enterrado bajo una montaña (el LSC en Canfrán). Ha pedido una tonelada de gas xenón, un ataúd de plomo, y un bosque de moléculas que brillan como luciérnagas. Todo esto, que parece propio de un cómic de Batman o un flipe lisérgico, sirve para explicar el origen del universo. Cuesta creerlo.

Así que comienzo la entrevista con un café en la mano, acomodándome al sol radiante de este otoño de pandemia, y con la certeza de que estoy a punto de escuchar una de las historias más fascinantes del mundo.

Juan, ¿me explicas el origen del Universo?

Vamos a empezar por el principio. El Big Bang se produce y en ese momento se crea todo el Universo, toda la masa, toda la energía, todas las partículas de materia. Y junto con la materia, aparece la antimateria…

(Abre un paréntesis. La antimateria lo merece)

Que la antimateria existe lo sabe todo el mundo porque ha leído las novelas de Dam Brown (sonríe). Eso ya lo hemos demostrado. Cuando haces colisiones de partículas elementales en el CERN, en el Gran Colisionador de Hadrones, produces energía pura, y luego cuentas partículas y antipartículas, y están en la misma cantidad. En el CERN hacemos pequeños Big Bangs. Y vemos que la cantidad de materia y antimateria es esencialmente la misma siempre. Para cada partícula, por ejemplo el electrón que todos conocemos, hay una antipartícula que tiene la carga cambiada, el positrón en este caso. Cuando el electrón y el positrón (su antipartícula) se encuentran, se aniquilan y producen una enorme cantidad de energía. Esto no es ninguna especulación salvaje.

Hay un tipo de escáner médico, un aparato para detectar tumores que se llama PET y está basado en la existencia de la antimateria. Con el PET (Tomografía por emisión de positrones) estás viendo brillar el tumor, y lo estás viendo brillar gracias a la antimateria. Ya ves, la ciencia es mucho más interesante que la ciencia ficción.

Pero volvamos al universo primario. En el principio de los tiempos tenemos la misma cantidad de materia que de anti materia. ¿Y?

¿Qué ocurre cuando tenemos un Universo con la mitad de ángeles y la mitad de demonios? Se aniquilan. Si habláramos de un ejército, tendríamos tantos efectivos de materia como de antimateria y se destruirían.  El universo desaparece, toda la energía se condesa, y otra vez vuelve a generar materia y antimateria. Vuelven a encontrarse y aniquilarse, una y otra vez…

¿Una creación permanente de universos, formándose y aniquilándose, sin llegar nunca a nada?

Podría haber sido así. Si la materia y la antimateria hubieran sido exactamente idénticas, podría haber pasado eso. El universo no estaba destinado a existir. Cómo ves, empezamos con drama.

«Estamos hablando de partículas tan pequeñas que casi podríamos hablar de nada»

Algo tuvo que romper el equilibrio: la “chispa” que prendió el fuego

En el Universo original, además de electrones y positrones, quark y anti quark, estaban ellos, los neutrinos. Estamos hablando de partículas tan pequeñas que casi podríamos hablar de nada. Pero estos neutrinos son agentes dobles, es decir, se pueden desintegrar a materia y también a antimateria. Se pueden desintegrar y producir un electrón. Pero también se pueden desintegrar y producir un positrón de materia. Los neutrinos podrían ser su propia antipartícula.

¿Y por qué en esto está la clave de la existencia del Universo?

Resulta que este Alec Leamas, este agente doble, le da un poco más de electrones a la materia que a la antimateria.

Así que ellos son la chispa

Pudo ser un neutrino, un gamusino o un unicornio. Pero cualquier físico que tuviera que apostar su hacienda, apostaría por el neutrino. El neutrino concede un pequeño exceso a favor de la materia, ese pequeño exceso, que son los restos de un naufragio, que no es nada en comparación con los ejércitos terroríficos que se aniquilan, es el Universo.

El universo lo forman los restos de un naufragio. Te he oído decir otras veces esa frase

Sí, me gusta. Porque lo explica muy bien. El universo es lo que queda, los restos de un naufragio.

¿Esta hipótesis explica toda la materia existente?

Claro, porque explica la materia que queda en el Universo, la que no se aniquiló, el exceso que introdujo el neutrino, y explica que no sea la antimateria la que reine en primer orden.

¿Esto está demostrado?

No. Esto es a día de hoy una especulación. Y es lo que queremos demostrar con el experimento Next. Creemos que todo este grandioso universo que ves aparece como consecuencia de ese exceso de materia que introduce el neutrino. Pero hasta aquí te estoy contando una historia, una novela que han escrito los físicos teóricos con sus ecuaciones. Todo nos parece razonable, todo encaja, todo nos parece bonito. Pero la ciencia no se basa en eso, se basa en hacer demostraciones experimentales. Y ahora hay que demostrarlo.

¿Cómo?

Al Big Bang no nos podemos ir para ver cómo ocurrió, pero da la casualidad de que este neutrino primigenio, si tiene la propiedad de ser materia y antimateria, dejaría un rastro que un buen detective puede encontrar. Si es su propia antipartícula, tiene la capacidad de generar una desintegración nuclear que no se produce si no lo es. Y eso es lo que podemos buscar. Ese rastro, su huella. Cuando se desintegra se producirá una determinada reacción nuclear de un modo que no se produciría si no es su propia antipartícula.

¿Buscáis el momentazo en que un neutrino se desintegra?

Los físicos teóricos han descubierto que es posible encontrar ese rastro mirando dentro de un tanque de gas xenón. El xenón es un gas noble que tenemos en la atmósfera, (como el argón, como el kripton). Un gas noble que está en la atmósfera, en cantidades muy pequeñitas y que se llama noble porque es pasivo, no hace nada, no reacciona con nada. Lo usamos con frecuencia en la industria como en los faros halógenos de los coches, y es fluorescente.

Si yo cojo una botellita de xenón y la miro, me puedo morir de aburrimiento. Es el gas más tranquilo del universo, y como material es estable, es decir, si cuentas los átomos de xenón, siempre hay los mismos. Esta pasividad es inalterable a no ser que ocurra un suceso extraordinario, y ese suceso es que el neutrino sea su propia antipartícula. Entonces, si es así, existe la probabilidad ridículamente baja de que ante la desintegración de un neutrino, haya un átomo de xenón que se trasforme en un átomo de bario y en dos electrones. Y eso sólo ocurre si el neutrino es su propia antipartícula.

«Si observamos esta reacción, habríamos demostrado que el neutrino es su propia antipartícula»

Si observamos esta reacción, que se da en el xenón y en otros gases como el germanio y el telurio, y que ocurriría sólo en unos poquitos, no muchos átomos, si la observamos, habremos demostrado que el neutrino es su propia antipartícula y   vindicado toda la historia anterior. Entonces ya no sería solo una novela.

¿Explícame cómo esperas ver esa huella? ¿En qué consiste el experimento Next?

Vale. Piensa que tenemos que ver un átomo de bario y dos electrones en el xenón. Esa es la reacción que buscamos. Si pudiéramos irnos al vacío interestelar, y en ese vacío llevar un contenedor hecho de nada, en cuyo interior pusiéramos gas xenón, y los detectores también estuvieran hechos de nada, entonces no habría “ruido”, interferencias, miles de electrones dando vueltas. Solo existirían los nuestros, los dos que buscamos y no habría más que hablar. Pero no parece que podamos viajar al vacío interestelar, ni fabricar detectores hechos de nada.

«Si hago el experimento en la superficie de la Tierra, me llueven rayos cósmicos desde arriba. Sería como ver una gota de agua en un chaparrón»

¿Por qué necesitas el vacío?

Porque en la Tierra todo es radiactivo. Todo tiene un poquito de uranio y todo tiene un poquito de torio. Tú también eres radiactiva. Tus huesos tienen potasio 40. Si hiciera el experimento metiendo el xenón en una botella de vidrio, junto a los dos electrones que busco aparecerían 10 millones de electrones que está emitiendo el cristal, el cuarzo. Lo mismo ocurrirá con el material del que estén hechos los sensores. Y, si hago el experimento en la superficie de la Tierra, me llueven rayos cósmicos desde arriba. En resumen, estaría intentando detectar dos electrones y el ruido de fondo ambiental son 100 millones. Sería como ver una gota de agua en un chaparrón.

Por eso te metes debajo de una montaña

Sí. Primera medida: ¡vámonos debajo de una montaña! Vamos al laboratorio subterráneo de Canfránc, en Huesca. Ponemos encima mil y pico metros de roca. Y así los rayos cósmicos, que eran el chaparrón, ya no nos llegan.

Ahora lo malo es que la roca nos dispara también radiactividad. Bueno, pues ponemos un ataúd de plomo. El plomo es muy radio puro. Este plomo se sacaba originalmente del que se usaba como lastre de las galeras romanas. Cuando se hundían, el plomo se quedaba en el fondo del océano y era muy poco afectado por la radiactividad natural. Ese plomo se usaba para blindajes en nuestros experimentos. Hoy en día sabemos hacer el plomo radiactivo puro, sin recurrir al plomo romano, pero todavía lo llamamos así, plomo romano, para indicar que es un plomo libre de radioactividad.

Bien, ahora meto el detector dentro de mi castillo de plomo, que detiene todo lo que viene de las rocas, y las rocas han parado todo lo que venía de arriba. Es una muñeca rusa. El plomo tiene un poco de radiactividad. Así que dentro del plomo pongo otro castillo de cobre.  El cobre para otro poquito de radiación, y dentro está mi vasija, con el gas xenón y mis detectores. ¿Pero cómo consigo que mis detectores, que tienen que ver el gas, no me disparen radioactividad? ¡No puedo!

Pero no tiras la toalla

Cuando tomo todas esas medidas aislantes, me encuentro con que en lugar de 100 o 500 o 1000 millones de sucesos que serían ruido, tengo ya solo 10 millones de sucesos que no me sirven. Y ahora, con técnicas muy sofisticadas, vamos reduciendo. Hasta aquí tenemos cómo diferenciar los dos electrones que nos interesan del resto.

¿Y con qué probabilidad va a producirse ese suceso?

Sabemos que el proceso se da, pero no sabemos con cuanta frecuencia. Sabemos que la vida media de ese proceso es 16 órdenes de magnitud más grande que la edad del universo. Si tuviera que mirar un solo átomo, no llegaría  a verlo jamás. Pensamos que la vida media de esa desintegración es 10 elevado a 27, o 10 elevado a 28 años, es decir, un uno con 27 ceros, o con 28 ceros. Si yo tuviera que mirar un solo átomo, arreglado iba. Fíjate que la vida del universo es 10 elevado a 10. Así que es como diecisiete universos uno detrás de otro. No va a ocurrir jamás delante de mí.

¿Estás hablando del infinito?

Hay una leyenda sobre el infinito que Borges cuanta muy bien. Dice así: ¿Quieres saber qué es el infinito? Cada mil años un ruiseñor pasa al lado de una montaña de hierro y la roza con el ala. Cuando a consecuencia de ese roce la montaña sea polvo, habrá pasado un segundo en el tiempo de Dios.

Eso es más o menos de lo que hablo cuando digo 10 elevado a 27. Viene a ser el tiempo del ruiseñor, la montaña y el ala. Pero tenemos una suerte que acorta los tiempos, y es que la materia tiene muchos átomos. Si yo te pongo, digamos, una tonelada de xenón, tengo en cada gramo de xenón del orden de 10 elevado a 20 átomos, con lo cual ahora en una tonelada de xenón tengo átomos de sobra para que a alguno le toque la lotería. Esto es lo que llamamos la lotería de lo imposible.

«Jugamos a la lotería de lo imposible. La probabilidad de que te toque es cero, pero el número de jugadores es infinito»

¿La lotería de lo imposible?

Sí. La probabilidad de que te toque es cero, pero el número de jugadores es infinito. Cuando multiplicas un número que se aproxima a cero por un número que se aproxima a infinito, pues sale algo. En esta lotería de lo imposible, nosotros ponemos nuestros detectores.

Por eso necesitas un tanque con una tonelada de xenón

Así es. Con un tanque de una tonelada de xenón me encuentro con otros problemas. La señal es más probable, pero el ruido de fondo ha crecido, porque hemos tenido que aumentar el tamaño del receptor. Entonces surgió otra idea que es la bomba. Y es que en esta película nos habíamos olvidado de que existe un átomo de bario. Nos habíamos olvidado de él por qué pescar un átomo de bario en un cilindro de tres metros cúbicos de xenón lleno de átomos de xenón es impensable. ¿Cómo voy a encontrar un átomo de bario en 10 elevado a 30 átomos de xenón?

Imagínate: en el universo hay del orden de 10 elevado a 22 estrellas. Tienes delante de ti todas las estrellas de todas las galaxias, y yo te digo que quiero encontrar una estrella en diez universos. ¡Hala!

¿Y entonces?

Se nos ha ocurrido una manera de pescar este átomo de bario, y la verdad es que la palabra pescar es correcta porque usamos redes, pero son redes de moléculas. Cuando le plateé el proyecto a Fernando Cossio, me dijo una frase que empleamos a veces los físicos: “La situación es desesperada, pero no grave”. Así que aunque la situación era desesperada, seguimos adelante. Te la tienes que jugar. Cosío encontró la molécula perfecta para atrapar el bario, una molécula que brilla más y que además cambia el color cuando lo atrapa. Nos dimos cuenta de que teníamos el detector. Y lo publicamos en Nature en una prueba de concepto.

 

A partir de aquí es cuando el experimento Next cobra tintes quijotescos. Pienso que difícilmente se le habría ocurrido a un norteamericano o a un japonés

Lo que hacemos es lo siguiente: estamos en el detector, cuando ocurre la desintegración rara se producen los dos electrones y el átomo de bario, y cada uno va para un lado. Los electrones llegan los primeros y avisan de que ese suceso puede ser interesante. Esos electrones tienen que ser especiales, tener buena pinta, tienen que ser miuras, patas negras, y aparecen pocos de esos, quizá uno cada semana. Y al año, patas negras quizá hay cinco mil. Pero ahora, cuando tienes estos pata negra, y ves que te interesan, si estás en una parte del receptor, en el otro lado tiene que haber un átomo de bario.

Aquí entran en juego las moléculas que se iluminan

Me voy al otro extremo del detector y pongo una pared de cristalitos. En esos cristalitos hacemos crecer un bosque de moléculas. Es una monocapa, porque sólo hay una molécula a la vez. Una simple molécula que está plantada como un arbolito, al lado de otro arbolito y así hasta cubrir la pared. Cada una de ellas es como un tallo, como una planta carnívora. Imagínate un tallo y una boca. Este bosque de moléculas tiene una peculiaridad, cada una de ellas está diseñada para ser sensible al bario, y solo al bario. Cuando llega el bario, lo atrapan. Solo si es bario.

De hecho nosotros solo abrimos la puerta a que atrapen el bario en el momento en que esos electrones pata negra nos han indicado que ahí puede estar ocurriendo lo que buscamos. En ese momento justo, un momento antes de que el bario pueda llegar, le abrimos la puerta. El bario pasa, y la molécula, la planta carnívora, lo atrapa.

(Gómez Cadenas simula con las manos el movimiento de su planta carnívora atrapando bario)

«Si una molécula ha atrapado el bario, cambia de color y brilla en azul»

Ya tienes una molécula de bario atrapada. Ahora, ¿cómo la ves?  

Si a una molécula de éstas le disparó un láser ultravioleta, se come el fotón ultravioleta, se excita y se des-excita emitiendo luz verde. Imagínate que vas barriendo con un láser tu bosque y aquello brilla en luz verde que es un primor, como una película. Pero si una ha atrapado el átomo bario, cambia de configuración y brilla en azul. Esto es una maravilla. En el momento en que ves un punto azul, lo habrás encontrado.

¿Hay otros equipos de investigación detrás de demostrar que el neutrino es su propia antimateria?

La rama de física de neutrinos es muy importante en la física de partículas. Buscar que es su propia antipartícula es solo una de las cosas que hace esta rama. Hay otros grandes proyectos en marcha que buscan demostrarlo, unos utilizan germanio, otros utilizan telurio. Y hay otros dos grandes proyectos que trabajan como nosotros con el xenón. Lo que sí ha ocurrido es que hasta ahora, nosotros estábamos a la cola de los otros grandes proyectos. Con esto, si nos sale, nos convertimos en el experimento más avanzado, habríamos pasado de estar a la cola a ser las jóvenes promesas.

¿Resultados?  

Esto lleva años, al menos diez años.

Por lo que dices habrá resultados, no sé si tuyos o de otros equipos, pero parece que va a haber una respuesta

Yo creo que va a pasar como con las oscilaciones de neutrinos. El esfuerzo para ver que los neutrinos bailaban entre sí llevó décadas, y la solución llegó de varios experimentos a la vez. Mi predicción es que nos va a costar otros diez años. A todos. Y que en diez años va a haber por lo menos tres experimentos viendo independientemente el problema. Tendremos respuesta, un resultado, y creo que el resultado va a ser positivo

¿Vais a demostrar que el neutrino es su propia antimateria?

Sí.

¿Eso explicará el origen del universo?

Sí.

Quedamos en diez años, ¿te parece?