Comienza la caza de partículas fantasma para detectar las supernovas invisibles
El mayor detector de partículas de Japón verá por primera vez neutrinos que emiten las estrellas al morir
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.
ampliar foto
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)
No hay comentarios:
Publicar un comentario