DUNE: El experimento bajo tierra más sofisticado del mundo

DUNE, con un detector situado en una antigua mina de oro a 1 500 m bajo tierra, atrapará partículas fantasma, los neutrinos

Clara Cuesta Soria, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Una tela de araña, la trampa perfecta, es tan sensible que basta con que la pata de un insecto milimétrico la roce para que la depredadora conozca el tamaño y la posición exacta de la minúscula presa.

DUNE es la “tela de araña” tecnológicamente más sofisticada que pueda generar el ser humano. La “presa” a cazar son partículas tan pequeñas que los insectos son, a su lado, gigantes mitológicos.

Interceptar neutrinos esquivos

DUNE va a interceptar neutrinos, partículas cuya masa es al menos un millón de veces inferior a la del electrón. Sesenta y seis mil millones de neutrinos atraviesan cada segundo cada centímetro cuadrado de piel de cada persona de la Tierra, y no las notamos porque tan solo un neutrino de cada 10 billones es atrapado al atravesar la tierra. Sin embargo, son tan importantes que, en una colaboración científica estamos poniendo en marcha una red, el experimento más avanzado de los muchos que existen para darles caza, caracterizarlos y entenderlos.

El nombre del experimento, en el que colaboramos desde CIEMAT, es DUNE. Quédense con él. El experimento de neutrinos DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) es el megaproyecto basado en aceleradores de partículas más importante después del LHC.

Y ¿para qué? ¿Para qué queremos cazar neutrinos? Lo hacemos porque pensamos que es la partícula que puede dar respuesta a una pregunta fundamental, tan filosófica como científica: ¿cómo fue posible el universo que hoy conocemos? ¿Cómo es posible que existamos?

DUNE tendrá una sensibilidad única para realizar descubrimientos en física de partículas. El macroexperimento está pensado para explicar el origen de la materia (de toda la materia); para buscar nueva física, y para detectar los neutrinos procedentes de fenómenos astrofísicos, ya sean de una explosión de una supernova o del sol.

¿Qué son los neutrinos?

Los neutrinos son las partículas elementales más abundantes después de los fotones, pero las que peor encajan dentro del modelo estándar, la “biblia” de la física.

Son mucho más ligeros que el resto de las partículas, por lo que suelen escaparse de los detectores, y todavía no se ha podido medir su masa con precisión. Además, no tienen carga, lo que hace que la diferencia de su contraparte de antimateria, los antineutrinos, no esté clara.

Sin embargo, ser tan esquivos tiene sus ventajas. Los neutrinos son excelentes mensajeros de los fenómenos astrofísicos y, cuando los detectores los captan, aportan información directa de la fuente que los origina. Son capaces de viajar enormes distancias atravesando cualquier elemento del espacio.

Su relación con el origen de la materia

Después del big bang, el universo estaba lleno de cantidades iguales de materia y antimateria, que se aniquiló a medida que se enfriaba. Sin embargo, aproximadamente una de cada 10 mil millones de partículas de materia sobrevivió y creó las estrellas, las galaxias y la vida en la Tierra.

Desconocemos qué hizo posible que esa pequeña parte de materia prosperara, pero fue necesario para que podamos existir.

Para descubrir qué sucedió, tenemos que explicar por qué las partículas de materia y las de antimateria se comportan de manera diferente. Descubrir un comportamiento diferente entre neutrinos y antineutrinos podría dar la clave para que se haya creado el exceso de materia, pues ya sabemos que el comportamiento de otras partículas no lo puede explicar.

En DUNE estudiaremos las interacciones de los neutrinos, y los antineutrinos en los detectores para entender mejor los cambios que sufren estas partículas cuando viajan de un punto a otro. Esto ayudará a explicar lo que pudo pasar justo después del big bang: por qué la materia triunfó.

Los que vienen desde las supernovas

DUNE también será sensible a neutrinos astrofísicos producidos en explosiones de supernovas o el Sol.

Durante la explosión de una supernova, el 99 % de la energía de la estrella se libera en forma de neutrinos, que son los primeros capaces de escapar de su núcleo. Estos neutrinos de supernova se emiten en una ráfaga de unas decenas de segundos de duración.

Se detectaron los primeros y únicos neutrinos de una supernova en 1987 cuando una estrella colapsó en la Gran Nube de Magallanes. Dos experimentos detectaron entonces unas decenas de neutrinos unas horas antes de que la luz de la explosión llegara a la Tierra.

DUNE tendrá una sensibilidad mucho mayor y será capaz de detectar varios miles de neutrinos de una supernova que explote en la Vía Láctea. Además, DUNE será el único experimento en funcionamiento con sensibilidad a los neutrinos emitidos en la primera fase de la explosión de una supernova.

Gracias a esto, podremos conocer el mecanismo de colapso del núcleo de la supernova y tendremos nueva información sobre física de partículas.

Por último, DUNE será sensible a búsquedas de nueva física más allá del modelo estándar, tales como la desintegración del protón y otros nucleones, nuevos tipos de neutrinos, e incluso materia oscura.

En qué consiste el experimento DUNE

La idea es crear e impulsar neutrinos y antineutrinos desde un laboratorio –Fermilab– en Batavia, Illinois (Estados Unidos) y detectarlos cuando lleguen a una instalación similar –Sanford Underground Research Facility (SURF)– en Lead, Dakota del Sur, tras un recorrido de 1 300 kilómetros. Algo así como ir de Madrid a París bajo tierra, a una velocidad aproximada al 99,9 % de la velocidad de la luz, unos 299 338 kilómetros por segundo.

En DUNE los neutrinos se producirán en un acelerador de protones en Fermilab y un detector cercano los caracterizará para compararlos con lo medido en el detector lejano en el Sanford Underground Research Facility una vez han recorridos 1 300 km. . Fermilab, CC BY

Un detector cercano al punto de producción caracterizará los neutrinos en su punto de partida. Y un detector lejano situado en una antigua mina de oro a 1 500 m bajo tierra, en el SURF, los captará para estudiar cambios en sus propiedades.

Para alcanzar tanta sensibilidad, los detectores de DUNE necesitan el desarrollo de tecnología puntera. En SURF se construirán cuatro grandes detectores de una altura de 4 pisos que contendrán 67 000 toneladas de argón líquido bajo la superficie, lo que equivale a más de 15 piscinas olímpicas a -190 ºC. Esas inmensas piscinas permitirán atrapar neutrinos.

En la interacción de las partículas con el argón se emiten partículas cargadas, que son capturadas gracias a importantes campos eléctricos. Pero también pequeñas cantidades de luz, recogida por sensores capaces de captar cantidades tan ínfimas como un único fotón.

Esta es una imagen real de partículas interaccionando en argón líquido en ProtoDUNE. CERN, CC BY

Prueba piloto en el CERN

Construir los potentes detectores de DUNE supone un gran reto y, para abordarlo, hay que probar que se cuenta con la tecnología necesaria, pues nunca se han construido detectores de argón líquido tan grandes.

Los detectores de prueba ProtoDUNE del tamaño de una casa se ensamblaron y probaron en el CERN en Europa. Se llenaron con cientos de toneladas de argón líquido. Fermilab, CC BY

Con este objetivo, en Ginebra, en la sede del CERN (Organización Europea para la Física de Partículas, una de las mayores entidades que participan en el proyecto), se han construido dos grandes prototipos de DUNE, en los que se está ultimando la tecnología.

A finales de esta década tendremos los primeros datos de DUNE. Con ellos vendrán más respuestas y, estoy segura, más preguntas.

Clara Cuesta Soria, Doctora en Física, investigadora de la Unidad CIEMAT – Física de Partículas, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.