Ciencia

DUNE: mega experimento subterráneo.

El proyecto develará misterios sobre el origen del Universo.

Equipo PipolNews

18 de dic. de 2023 7 min de lectura

El mega proyecto involucra a más de 30 países y busca capturar partículas indetectables a través de una red de 1.300 kilómetros.

En 1930, el físico austriaco Wolfgang Pauli empezó a jugar apuestas. Afirmó que nadie pudo encontrar nada y lo propuesto como un "remedio inútil" para preservar la validez de la energía y la ley de conservación de la los llamados neutrinos, partículas descargadas e indetectables que eliminan la energía faltante.

Veintiséis años después, tuvo que saldar su apuesta, en 1956, los investigadores Clyde Cowan y Fred Reines descubrieron antineutrinos es un reactor nuclear en el río Savannah en Carolina del Sur, Estados Unidos. Los neutrinos rara vez interactúan con la materia, pero esta es la primera vez que lo hacen.

Desde que Pauli propuso su existencia, los neutrinos han estado envueltos en un misterio que permanece hasta el día de hoy, por eso que instituciones científicas de todo el mundo llevan adelante un experimento Subterráneo de Neutrinos Profundos (DUNE), es el más ambicioso que pretende cazar esas partículas escurridizas.

Este proyecto tiene como objetivo resolver algunos problemas pendientes mediante la búsqueda de partículas esquivas: el origen del universo.

“Los neutrinos son partículas del modelo estándar sin carga y con una masa muy pequeña. Esto hace que sean muy escurridizos ya que tan solo un neutrino de cada 10 billones es atrapado al atravesar la tierra”, explicó Clara Cuesta Soria, Doctora en Física, investigadora de la Unidad CIEMAT, una de las instituciones que participa del experimento.

La investigación de los neutrinos ha dado muchas vueltas a lo largo de casi 100 años, y si bien ha habido descubrimientos que refutan teorías sostenidas anteriormente, aún persisten incertidumbres fundamentales, básicamente, se pensaba que los neutrinos no tenían masa. El descubrimiento de las oscilaciones provocó un cambio fundamental, demostrando que, aunque la masa era insignificante, no era cero.

“Su 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”, escribió Cuesta Soria en un artículo publicado en The Conversation.

Por su parte, Shirley Li, Profesora de física en la Universidad de California, Irvine, especializada en el comportamiento de las partículas, indicó a este medio: “A lo largo del tiempo hemos observado neutrinos de diferentes fuentes y los hemos capturado en diferentes medios, pero es muy difícil. Son esquivos porque solo interactúan con otras partículas o materia a través de un tipo de interacción que se caracteriza por su debilidad, ‘la interacción débil’. En otras palabras, apenas interactúan con algo”.

Atrapar un neutrino es una tarea enorme, los científicos dicen que aún se necesitan mediciones precisas de los parámetros que los impulsan y advierten que es importante comprender la diferencia entre neutrinos y antineutrinos. Todo esto conduce a la verdadera motivación detrás del megaproyecto DUNE, que arroja luz sobre la pregunta clave: ¿Cómo surgió el universo tal como lo conocemos? ¿Cómo dominó la materia durante el Big Bang?

En qué consiste DUNE?

DUNE será un experimento subterráneo a gran escala. El Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Dakota del Sur, Estados Unidos, albergará al detector gigante que perseguirá y buscará capturar los neutrinos. Planificar el trabajo es difícil, se debe dejar espacio a los detectores y los sistemas de soporte, por ello será necesario retirar 800.000 toneladas de roca en tres años.

Pero además del detector en Dakota del Sur, el proyecto tiene otro tramo central fuera de Chicago. Se trata del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab), ubicado en la órbita en el Departamento de Energía. El acelerador del laboratorio genera un haz de neutrinos y los disparan directamente a través de la corteza terrestre, a 800 millas de distancia. Las partículas viajan a una velocidad comparable a la velocidad de la luz (99,9% de la fuerza), alrededor de unos 299.338 kilómetros por segundo.

Como los neutrinos son esquivos, se requieren grandes detectores capaces de detectarlos. En DUNE se está construyendo un detector de 70.000 toneladas de argón líquido. La tecnología de detección empleada en DUNE permite construir un detector de gran tamaño -60 metros de largo- mientras que se identifica la posición de partículas que interactúan con una precisión de milímetros. Construir un experimento como este supone un esfuerzo enorme y por ello lo estamos haciendo en una colaboración internacional formada por 1400 personas de más de 30 países”, explicó Cuesta Soria ante la consulta.

Según describió la experta, un detector cercano al punto de producción caracterizará los neutrinos en su punto de partida. Del mismo modo, otro detector lejano situado en lo que era una mina de oro, a 1.500 metros bajo tierra, los capturará para analizar posibles cambios en sus propiedades.

El rol del argón líquido, en ese punto, será fundamental. En SURF se hallarán cuatro detectores enormes capaces de albergar 67.000 toneladas de argón líquido, algo así como 15 piletas olímpicas a una temperatura de 190 grados bajo cero. Esas piscinas serán las encargadas de capturar los 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, recogidas por sensores capaces de captar cantidades tan ínfimas como un único fotón”, explicó la física española.

El proyecto depende de inversiones de millones de dólares. En 2014, el costo fue de 1.900 millones de dólares. Desde entonces, el experimento ha estado plagado de retrasos y costos, y llevaron al Departamento de Energía a optar por reducir casi a la mitad el tamaño del detector ubicado en Dakota del Sur. Pero hoy el monto mínimo de inversión es de más de 3 mil millones de dólares.

Fermilab se muestra cauteloso con los plazos, una vez completada la red subterránea, esperan comenzar la primera fase del experimento del haz de neutrinos en 2031. Se espera que en apenas siete años se revelen algunos de los secretos del universo.

La respuesta al misterio.

Esto es una paradoja. Los neutrinos no tienen ningún efecto sobre los objetos cotidianos que nos rodean, pero pueden proporcionar respuestas al misterio de los orígenes del universo.

Los neutrinos y sus primos antimateria se dividen en tres tipos: electrónicos, muónicoss y tauónicos, según cómo se formen los antineutrinos.

Los neutrinos y antineutrinos pueden oscilar a diferentes velocidades y esta asimetría se denomina violación de la paridad de carga. Medir la asimetría es el objetivo final de los físicos, ya que podría ayudar a explicar cómo la mezcla de partículas elementales creó más materia que antimateria en el universo temprano, poco después del Big Bang.

“El origen del universo es una cuestión tan complicada que estamos muy lejos de comprenderla del todo. Específicamente esperamos que DUNE pueda arrojar luz en cómo evolucionó el universo hasta el punto de que hoy está dominado por la materia, en lugar de tener mitad materia y mitad antimateria. Incluso entonces, la conexión entre lo que podemos medir en DUNE (violación de la paridad de carga en la oscilación de neutrinos) y cómo se relaciona con la asimetría materia-antimateria es tan complicada que se necesitarán más teorías y experimentos para resolverlo por completo”, consideró Shirley Li.

En tanto, Clara Cuesta Soria advirtió: “Observar diferencias en las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos en DUNE puede dilucidar qué ocurrió en los primeros instantes de la historia del universo. Al principio, materia y antimateria se aniquilaban constantemente produciendo energía, pero finalmente parte de la materia prevaleció sobre la antimateria y gracias a eso se formaron los átomos, las estrellas y la materia que hoy en día nos rodea. En DUNE se pretende demostrar que existe un fenómeno físico necesario para que dominara la materia sobre la antimateria”.

Los neutrinos, una de las partículas más comunes y masivas del universo, de las que aún se sabe poco o nada, tienen poca o ninguna masa, no parecen tener ningún impacto en nuestra vida diaria y podrían responder miles de millones de preguntas.

El misterio del tiempo, un misterio sin resolver.