Comienza la caza de partículas fantasma para detectar las supernovas invisibles

Ciencia
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Para visitar Super-Kamiokande, uno de los mayores detectores de partículas del mundo, hay que recorrer un túnel que conduce al interior de la Tierra. En el corazón del monte Ikeno, en Japón, hay una mina abandonada a un kilómetro de profundidad donde descansa una cisterna enorme y brillante. Su interior está forrado con 11.000 sensores, cada uno con la forma de una gran bombilla, y todos ellos sumergidos en 50.000 toneladas de agua pura. Tras una extensa renovación completada a finales de enero, este instrumento científico está listo para dar un paso nuevo en la historia de la ciencia: detectar, por primera vez, los neutrinos que desprenden todas las estrellas muertas del universo.

El inmenso volumen de Super-K —unos cuarenta metros de alto y otros tantos de diámetro— es necesario para que tenga alguna oportunidad de atrapar a los minúsculos neutrinos, ya que estas partículas fantasma no tienen carga eléctrica y literalmente atraviesan el espacio vacío de los átomos. La presencia de un neutrino solo se registra cuando, por casualidad, alguno choca contra un núcleo o un electrón en el agua, y así desprende un breve destello de luz que captan los sensores. Son partículas muy abundantes, pero las colisiones no ocurren con frecuencia: en cada metro cúbico de agua solo se registran tres al año, de media.

Una fuente extraordinaria de neutrinos son las supernovas, explosiones que ocurren cuando se colapsa una estrella. “En nuestra galaxia, hay dos o tres supernovas cada siglo, pero en todo el universo, explota una estrella cada segundo”, cuenta Irene Tamborra, astrofísica del Instituto Niels Bohr en Dinamarca. Juntos, los neutrinos desprendidos por todas las detonaciones inundan el espacio. El renovado Super-K promete escrutar por primera vez esta sopa cósmica, llamada el fondo difuso de neutrinos, para arrojar luz sobre la historia y el destino del universo.

La reforma del detector ha durado ocho meses y ha costado 1.100 millones de yenes japoneses (8,8 millones de euros). El objetivo era preparar la cisterna de agua para poder disolver, en los próximos meses, una pequeña cantidad del metal raro gadolinio: un plan osado para mejorar las detecciones y así separar del ruido la señal de las supernovas. EL PAÍS ha visitado la mina del monte Ikeno durante los trabajos de reparación, en un viaje financiado por el proyecto europeo Elusives. “Es la primera vez que abrimos la cisterna en 12 años”, explicó el director del proyecto, Masayuki Nakahata de la Universidad de Tokio.

Interior de Super-K. ampliar foto
Interior de Super-K.

Además de reemplazar varios cientos de sensores defectuosos, los trabajadores han tenido que sellar todas las juntas del tanque para solventar una fuga indetectable que hacía al detector perder líquido a razón de una tonelada por día. “Cuando solo salía agua pura, la fuga no era importante”, cuenta Mark Vagins, uno de los dos físicos que tuvo la idea de dopar el agua de Super-K con gadolinio, allá por 2003. Ahora que han convencido a los directores japoneses del experimento para añadir un elemento de tierras raras, no se pueden permitir la filtración.

El fondo difuso de neutrinos

Solo 24 neutrinos emitidos por una supernova se han detectado hasta hoy. Corresponden a la explosión de una estrella en las Nubes de Magallanes, registrada en 1987. Aquel fue un evento cercano y aislado, al margen del fondo difuso que ahora se busca explorar, y ocurrió años antes de que Super-K empezase a funcionar, en 1996.

Tamborra, experta en supernovas y ajena a la colaboración internacional de Super-K, espera que la nueva estrategia en Japón permita conocer la distribución de los distintos tipos de explosiones estelares que ocurren en el universo. Los telescopios ópticos detectan menos supernovas de las que hay, porque algunas estrellas implosionan para generar espontáneamente un agujero negro, con lo cual no producen un destello de luz visible. “Esta familia de supernovas solo se puede observar y estudiar mediante la detección de sus neutrinos”, explica la científica.

Dado que el fondo difuso de neutrinos es un reflejo de toda la historia del universo, puede esconder lecciones de cosmología, de astrofísica y de física nuclear, según Luis Labarga, el investigador español más involucrado en la transformación de Super-K. Su equipo en el Departamento de Física Teórica en la Universidad Autónoma de Madrid impulsó la I+D de un prototipo del detector que ya incorporaba gadolinio disuelto (sin la colaboración del Ministerio, subraya Labarga). Ha sido fundamental para demostrar la viabilidad del proyecto.

¿Cómo funciona el gadolinio?

El tipo de neutrino que emiten las supernovas es una partícula de antimateria: al chocar contra un protón del hidrógeno en el agua, emite un positrón (también llamado anti-electrón) y un neutrón. El positrón, altamente energético, produce un destello de luz visible para los sensores. “El problema es que muchos fenómenos pueden producir un destello similar, por ejemplo las interacciones de los neutrinos de nuestro sol”, explica Vagins, que ahora es investigador en el Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (IPMU) de Japón.

Vagins y su compañero John Beacom, físico teórico de la Universidad Estatal de Ohio (EE UU), razonaron que al disolver gadolinio en el agua se podrían aislar los eventos que provienen de supernovas, porque los átomos de este elemento absorben los neutrones libres y en el proceso emiten un segundo destello de luz. Cuando Super-K registre dos destellos muy seguidos (30 microsegundos) en el mismo punto del detector, los científicos sabrán que el primero corresponde a la emisión del positrón y el segundo, a la del neutrón. Así no habrá lugar a dudas: solo cabe inferir que la causa inicial fue un antineutrino de supernova.

“Vamos a incorporar el gadolinio gradualmente”, explica Vagins. El plan es recoger datos solo con agua durante unos meses para asegurarse de que todo funciona con normalidad. A finales de este año o principios de 2020 se disolverá el metal hasta lograr una concentración de 0.01%. El mayor reto ha sido diseñar un sistema de filtrado para el agua que no eliminase el gadolinio. Ya está instalado. Vagins, que ha esperado más de 15 años para ver su idea implementada, concluye: “Es increíble, la física que se puede lograr con una cisterna grande de agua. Me parece un experimento muy elegante”.

El proyecto europeo Elusives aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y física más allá del modelo estándar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives)

Fuente El País - España