Gigantes de la Ciencia Laboratorio Subterráneo de Canfranc: en busca del silencio cósmico

El LSC es una (ICTS) dedicada a la física de partículas en el túnel de Somport, entre España y Francia, a 800 metros bajo la cumbre de la montaña, protegido de la radiación cósmica y solar, para detectar a las partículas más escurridizas

El mundo es un lugar muy ruidoso, pero además del ruido del tráfico, las discotecas o las obras en la calle, hay otro tipo de ruido: la radiación. Estamos rodeados de ondas electromagnéticas y bombardeados constantemente por rayos cósmicos. Así que cuando los científicos quieren escuchar los componentes más diminutos de la materia, las partículas subatómicas necesitan un sitio muy, muy silencioso, protegido de la radiación exterior. Necesitan esconderse literalmente en el interior de una montaña. Bienvenidos al laboratorio subterráneo de Canfranc.

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El director del laboratorio, Carlos Peña Garay, nos explica los orígenes de esta Instalación Científica y Técnica Singular. “La historia comienza a mitad de los años 80. En este caso, comenzaron a venir en el año 86. Fue un grupo de profesores e investigadores de la Universidad de Zaragoza, liderados por Ángel Morales. Entonces él, que de hecho era un físico teórico, con esa visión se da cuenta que puede contribuir de forma muy relevante si aprovechan algo que conocían al estar en la Universidad de Zaragoza. Desde el año 70 había un túnel que ya no estaba en uso: el túnel ferroviario de Canfranc. Al principio, el laboratorio no es más que un vehículo tuneado, una furgoneta, donde las ruedas se cambian por ruedas de vagoneta, con una parte trasera para alojar experimentos. Se meten dentro del túnel de ferrocarril a través de la vía y con eso tienen su primer laboratorio (en este caso un laboratorio móvil) y realizan unos primeros experimentos que consiguen articular con investigadores de Francia, Rusia y Estados Unidos. En aquel momento, la investigación estaba en un primer orden».

Antiguo túnel ferroviario de Canfranc. Fuente: LSC

El LSC está dedicado, entre otras muchas cosas, a detectar neutrinos, una partícula misteriosa muy difícil de cazar pero que puede tener la clave del origen de nuestro universo tal y como lo conocemos. “El sol nos está enviando constantemente 10 mil millones de neutrinos por cada segundo. Cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo y en toda nuestra vida. Sólo colisionar a uno”, explica Peña Garay. “Eso es lo que lo hace difícil de detectar. Son realmente muy escurridizos”.

A la caza del neutrino

Estas partículas solo se pueden detectar si se bloquean las radiaciones que vienen del espacio, y que interfieren con los instrumentos, como aclara Peña Garay: “El sol y otras estrellas nos envían parte de su material, que es el mismo que el nuestro. Es decir, los electrones y protones, además de la luz y los neutrinos. Cuando estos iones chocan con el nitrógeno y el oxígeno de la atmósfera, generan una redistribución de la energía formando nuevas partículas. Una de ellas se llama muones. Son como electrones, pero mucho más masivos, 200 veces más pesados, y son capaces de llegar a la superficie. De modo que, si pongo un detector ahí, lo que van a estar es constantemente golpeados por esta descarga eléctrica que los va a cegar. La razón de ponerlos aquí dentro es que esos detectores están protegidos por 800 metros de roca encima. Lo que va a ocurrir es que los muones ya no llegan, o la cantidad es tan pequeña que el detector podrá dedicarse a medir para lo que está diseñado y no ese ruido constante que hay en el exterior”.

¿Pero qué son y por qué son tan importantes los neutrinos? Antes de nada, tenemos que comprender qué es la famosa antimateria. Y si te parece cosa de ciencia ficción, piensa que en un hospital cerca de ti, los médicos están usando ahora mismo la antimateria para detectar tumores. “Nosotros estamos formados por un tipo de materia, fundamentalmente electrones, protones y neutrones (para los más expertos quark arriba, quark abajo y electrón), partículas elementales que, combinadas en sus distintas formas, hacen todo lo que vemos”, explica Peña Garay. “Hemos encontrado que la naturaleza también produce, en algunas de las colisiones entre las partículas, o lo podemos hacer en el laboratorio, que estas mismas tres partículas, protones, neutrones y electrones tienen sus versiones contrarias. Todo el resto de propiedades son iguales: su masa, cómo interaccionan… pero su carga es la contraria. En vez de electrones con carga negativa, son electrones con carga positiva o positrones. Si se encuentran con un electrón, se atraen, como cargas contrarias, y en la colisión desaparecen los dos y salen dos rayos gamma”.

Experimento NEXT. Foto: LSC

“Lo mismo pasa con el protón”, prosigue Peña Garay. “El protón tiene su antipartícula, que es el antiprotón, con carga negativa. Si el hidrógeno es un protón con un electrón, pues el antihidrógeno será un antiprotón con un antielectrón. Y así podríamos seguir. En el caso del hidrógeno, lo hemos fabricado del anti hidrógeno. Las desintegraciones naturales generan antielectrones. Esas ya las usamos en los hospitales más modernos en todas las ciudades; en el escáner PET, la tomografía por emisión de positrones”.

La física actual nos dice que, en los primeros instantes tras el Big Bang que dio origen al universo, se formaron tanto la materia como la antimateria. La pregunta es ¿por qué no se aniquilaron inmediatamente, dejando sólo un rastro de energía? ¿Por qué queda todavía esa materia de la que estamos hechos? Peña Garay lo explica: “Eso es muy parecido a lo que vemos hoy en el universo, porque sobre todo lo que hay es radiación. Por cada tres de nuestras partículas hay 10.000 millones de fotones. Entonces vamos a cambiar la pregunta. ¿Y si lo que ocurre es que cuando se formó la materia, la antimateria se aniquiló, pero por alguna razón, los nuestros ganaron por un poquito, solo tres de cada 10.000 millones? Creemos que los neutrinos fueron importantes”.

Los neutrinos se aprovechan de una propiedad extraña de las partículas subatómicas: “Una propiedad natural de las partículas en su vida diaria es que si pueden ser dos cosas, son dos cosas. Es la famosa afirmación de que el gato de Schrodinger está vivo y muerto a la vez. Pues lo mismo creemos que le pasa a los neutrinos: al ser neutros no sabemos distinguir el antineutrino del neutrino. La hipótesis es que el neutrino es a la vez materia y antimateria. Cuando se ve con otro, tiene una probabilidad de ser materia y tiene otra probabilidad de ser antimateria”, explica Peña Garay.

Carlos Peña Garay, director del LSC

Bien, entonces solo necesitamos hacer que se encuentren dos neutrinos y ver qué ocurre. Pero esto no es tan fácil. Vamos a necesitar un enorme tanque de acero al titanio lleno de gas xenón, revestido por dentro de seis centímetros de cobre de altísima pureza y encerrado en un castillo de ladrillos de plomo. Este es el experimento Next del LSC.

“Es nuestro experimento de referencia, una gran idea experimental propuesta por un investigador español, Juan José Gómez Cadenas por un investigador estadounidense, Dave Green”, cuenta Peña Garay. “El xenón, en un isótopo especial, el xenón 136, con 136 protones y neutrones, no se desintegra de modo natural emitiendo un electrón y un antineutrino, sino que emite dos a la vez. Muy raramente, cada dos por diez elevado los 21 años (un 2 con 21 ceros detrás). Pero si emite dos a la vez, va a emitir dos electrones y lo que llamamos dos antineutrinos. Como el núcleo es muy pequeño y van a salir los dos neutrinos, antes de salir, se pueden preguntar: «¿Oye, qué eres hoy? ¿Materia o antimateria?». Y si ocurre, aunque sea raramente, que son lo contrario, se pueden aniquilar mutuamente y no salen”.

Este desequilibrio puede ser la clave del origen de nuestro universo. “Lo que intenta demostrar este experimento es que existe un proceso donde sólo se forman dos electrones y los neutrinos se aniquilan”, afirma Peña Garay. “El experimento está ahora en una fase de hacer más grande el detector, poner más cantidad de xenón para poder encontrar ese proceso que confirmaría que el neutrino es a la vez materia y antimateria, y que daría esa clave esencial para entender por qué en el principio del universo se formó más materia que antimateria, y eso es el germen de lo que somos hoy. Debemos nuestra existencia a que los neutrinos eligieron nuestro lado y no el de nuestros contrarios”.

Escuchando a la antimateria con un cristal de sal

El silencio cósmico que hay bajo esta montaña en Canfranc también ayuda a los investigadores a esclarecer otro de los misterios del universo: la materia oscura, que no debe confundirse con la antimateria. “La materia oscura es algo completamente diferente”, comenta Peña Garay. “Sólo sabemos de ella las dos palabras que usamos para caracterizarla: es materia, y eso quiere decir que genera efectos gravitatorios. Lo que observamos es que sólo vemos el 16% de la materia que genera la gravedad que vemos. Entre las distintas hipótesis, la que vemos más consistente es que falta materia por ver. Por lo tanto, es materia, ejerce gravedad, pero no debe de tener integración electromagnética (como le pasa a los neutrinos). Es oscura.

Experimento ANAIS. Foto: LSC

La materia oscura tampoco debe confundirse con los neutrinos, aunque ambas partículas necesiten este tipo de instalaciones para ser detectadas. “En cierto sentido la materia oscura se parece a los neutrinos, pero hoy sabemos que no son neutrinos. Los neutrinos típicamente tienen mucha energía comparada con la masa que tienen, por lo tanto, van muy rápido. La materia oscura sabemos que se parece a nuestra materia en el sentido de que va lenta comparada con su masa. Por lo tanto, no son neutrinos. Son muy difíciles de detectar, como les pasa a los neutrinos. Pero si interaccionan débilmente, desde luego, lo que hay que intentar es verlos en lugares donde podamos suprimir el resto de las cosas que pasan. Por eso nos tenemos que venir a un subterráneo para reducir el efecto de los rayos cósmicos, para ponernos con materiales muy radiopuros, donde reducimos la radiactividad natural, de modo que nos rodeamos de una especie de silencio cósmico, donde hay felicidad radioactiva, de modo que pase lo mínimo posible y sobre ese mínimo posible que es el ruido mínimo que vamos a encontrar, que podamos ver alguna señal de estas otras partículas que están aquí alrededor nuestro, que cruzan la montaña como si nada, y que quizá alguna deje un poco de energía y podemos seguir su rastro, e identificarlas”, concluye Peña Garay.

El detector de materia oscura de Canfranc se llama ANAIS. Un solo cristal de yoduro de sodio que se encierra en un contenedor de cobre para aislarlo de la radiación externa y que así pueda captar a la escurridiza materia oscura. Peña Garay lo explica: “No podemos irnos al salero y coger muchos granitos de sal. Cada uno de ellos es transparente, pero muchos reflejan toda la luz. Para que sea transparente y que haya suficiente cantidad de núcleos, generamos un cristal de 12 kilos y medio. De este modo, hay muchos núcleos susceptibles de ver la interacción cuando pasan partículas alrededor de ellos. Como el cristal es transparente, si lo alojo en una cavidad reflectante y pongo detectores en los extremos, si una partícula cruza la montaña y cruza todos los protectores que pongo (plomo para parar la radiación gamma, polietileno para parar los neutrones, detectores de muones por si alguno ha llegado), si llega algo de señal, puedo ver el efecto porque el yoduro de sodio, cuando pasan partículas ionizantes, brilla. Captando ese brillo puedo identificar qué partícula ha pasado, seleccionar aquellas que no son convencionales y ver si detectamos materia oscura”.

“Este detector replica un detector que tiene muchísima historia, hecho en el laboratorio más grande del mundo que está en Italia: el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, que encontró una señal compatible con materia oscura”, cuenta Peña Garay. “Como pasa en ciencia, cuando se encuentra algo, hay que replicarlo con una misma tecnología, pero por grupos independientes. Muy en breve sabremos si la materia oscura, o el candidato a materia oscura que decían encontrar en Italia, es algo convencional o es materia oscura, y por algún motivo le gusta la pizza y se detectó ahí”, bromea.

Instrumentos a medida y computadores cuánticos

Trabajar en los límites de la física también quiere decir inventar los dispositivos y los sistemas necesarios para los experimentos y seleccionar los materiales adecuados. Un trabajo que Ana Núñez, ingeniera de Radiopureza de Materiales, que con anterioridad había trabajado en el CERN, no cambiaría por nada. “Para mí es bastante satisfactorio, porque nos están construyendo cosas para nosotros bajo unas determinadas características y una serie de limitaciones que estamos poniendo a las empresas y a las fábricas”, comenta. “Luego también nos vamos encontrando con los pequeños inconvenientes de la mecánica, que las cosas encajen o no, o que tengamos que estar haciendo en ese momento pequeños apaños de montaje en el día a día”.

“Poder trabajar en el segundo de estas características en Europa y uno de los 13 que hay en todo el mundo es como, wow!”, comenta Núñez con una sonrisa.

Toda esta tecnología desarrollada para evitar la radiación tiene además una aplicación en unas máquinas especialmente sensibles a las interferencias: los computadores cuánticos. “Son circuitos superconductores, pero que están a tan bajas temperaturas que tienen comportamientos especiales como el entrelazamiento. Puedes poner dos de estos circuitos de modo que comparten un tipo de información y aunque los alejes y estén separados, la modificación de uno instantáneamente afecta a la modificación del otro. Es decir, estamos haciendo una transmisión instantánea de información de uno a otro y eso se llama entrelazamiento”, explica Peña Garay.

“Pero si hay paso de rayos cósmicos por el sistema de refrigeración, como los qbits [las unidades de computación cuántica] tienen que estar conectados térmicamente con el sistema de refrigeración, hay perturbaciones que pasan a través del contacto térmico que rompen ese entrelazamiento. Es una de las áreas comunes con las tecnologías que usan este tipo de circuitos: entender cómo reducir el impacto de los rayos cósmicos en el sistema de refrigeración para que no afecte a la coherencia del entrelazamiento entre qbits”.

Experimento NEXT. Foto: LSC

Una de las instalaciones de Canfranc es un laboratorio biológico único al estar aislado de la radiación por la montaña. ¿Pero qué le ocurre a la vida cuando no hay nada de radiación? Prepárate para una sorpresa. “Cuando comprobamos qué le pasa a las células y organismos modelo que estudian distintos investigadores que han hecho propuestas y están ejecutando y realizando aquí sus experimentos, lo que observamos es que la vida se comporta diferentemente aquí dentro”, dice Peña Garay. “De hecho, la falta de radiación le va peor a la vida. Hay mucho más estrés oxidativo. Se paran procesos de reparación de ADN. Lo que estamos viendo es cómo afecta al desarrollo de determinados organismos reducir la radiación, porque nuestras células o las de los organismos que estudiamos han estado en superficie miles de millones de años. Por lo tanto, están adaptadas a esa radiación, a esa radiactividad natural, a esa radiación básica que está viniendo del espacio, y aquí no está. Hay procesos celulares que se modifican. Queremos entenderlos y eso puede tener impacto en muchas de las grandes preguntas que estamos intentando resolver:  ¿cómo se pasó en la vida de unicelular a multicelular? o ¿cómo funciona el envejecimiento?

En los mitos y leyendas de muchas culturas, los héroes descubren secretos y tesoros adentrándose en el corazón de una montaña. Aquí, en este gigante de la ciencia de Canfranc, sabemos que las leyendas tenían razón.

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