Construyendo un detector de neutrinos gigante en cavernas subterráneas

¿Cómo se forman los agujeros negros? Este es el tipo de preguntas que el proyecto Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) podría ayudar a responder. El detector de neutrinos que constituye el centro de este experimento se está construyendo actualmente en Estados Unidos bajo la supervisión de un consorcio de 35 países, incluido Canadá, que reúne a 1.400 científicos e ingenieros de 200 instituciones. Una vez operativo, alrededor de 2032, DUNE contará con una infraestructura colosal. En primer lugar, el PIP-II, un cañón de neutrinos subterráneo, el más potente del planeta, ubicado en el FermiLab, en Illinois. Luego, a 1.300 kilómetros de distancia, en SanfordLab, en Dakota del Sur, un enorme detector de neutrinos fue enterrado a 1,5 kilómetros bajo tierra. La excavación de 800.000 toneladas de tierra y roca necesarias para su instalación finalizó en agosto de 2024, tras 7 años de trabajos.

¿Cómo viajarán los neutrinos desde la pistola hasta el detector? ¡A través de la corteza terrestre! No hay problema en cruzar la materia cuando eres un neutrino. Apodados “partículas fantasma”, los neutrinos (no confundir con neutrones) no interactúan con su entorno. Así, cada segundo, nuestro cuerpo es atravesado como si nada por cien mil billones de neutrinos procedentes del espacio. Esta falta de interacción con la materia es lo que los hace tan difíciles de estudiar.

Sin embargo, en muy, muy raras ocasiones, y de forma aleatoria, un neutrino interactúa con el átomo por el que pasa. El “choque” produce entonces otras partículas que, a su vez, provocan la expulsión de electrones. Están cargados eléctricamente y, por tanto, son fáciles de detectar. Su dirección y energía permiten reconstruir el retrato y la trayectoria del neutrino en cuestión. Éste es el funcionamiento básico de la mayoría de los detectores de neutrinos del mundo. Estos son enormes para aumentar las posibilidades de capturar una interacción, y también para detectar las partículas emitidas durante esta interacción, ya que pueden ir en todas direcciones.

Así, el detector DUNE estará compuesto por cuatro módulos, cada uno compuesto por rejillas de detección inmersas en una cubeta de 66 mx 19 mx 18 m, que contiene 17.000 toneladas de argón líquido, ¡el equivalente al volumen ocupado por 160 autobuses de dos pisos! El argón tiene la ventaja de “generar” en última instancia muchos electrones, además de ser económico y fácil de purificar. Pero para conservarlo en estado líquido, será necesario conservarlo a -184°C, ¡mediante un gigantesco sistema criogénico!

Como si esto no fuera suficientemente complicado, ¿por qué tenemos que construir también el detector DUNE bajo tierra? “Porque de lo contrario también detectaría rayos cósmicos [composés à près de 90 % de protons venant du Soleil]. Y que estas detecciones ahogarían las de neutrinos, responde Roxanne Guénette, profesora de física de partículas en la Universidad de Manchester, en el Reino Unido, e implicada en DUNE. La corteza terrestre bloquea los rayos cósmicos, pero no los neutrinos, que la atraviesan. » ¡Trabajar con partículas fantasma a veces tiene ventajas!

Nuevas visiones del Universo

El investigador quebequés espera con impaciencia la entrada en funcionamiento de las instalaciones del DUNE. “Al producir nosotros mismos neutrinos en FermiLab, podremos estudiarlos mejor. Además, el detector también captará neutrinos provenientes del espacio, lo que nos ayudará a comprender el fenómeno astronómico que los produjo. » Entonces, cuando una estrella moribunda colapsa sobre sí misma, emite cantidades masivas de neutrinos. ¡Estos podrían decirnos más sobre el destino post-mortem de la estrella, por ejemplo, su transformación en un agujero negro!

En términos más generales, DUNE quizás permitirá adaptar el modelo estándar de la física, es decir, el sólido edificio teórico y matemático que describe los fundamentos del Universo. Este modelo predice que los neutrinos no tienen masa. Sin embargo, los datos experimentales muestran que estas partículas tienen uno. ¿Deberíamos tirar el modelo estándar a la basura? Probablemente no, pero tendremos que revisarlo. Y para ello será necesario determinar con precisión la masa del neutrino, posiblemente utilizando DUNE. ¿Nuestra comprensión del Universo dependerá de un experimento realizado bajo tierra?

Fotos: CERN; Reidar Hahn/Fermilab