Los neutrinos son las partículas más ubicuas, cien mil millones atravesados por la punta de los dedos cada segundo, pero no tienen carga, casi sin masa, y apenas interactúan con otra materia.
Hace un siglo, cuando el físico italiano Wolfgang Pauli predijo su existencia, ni siquiera estaba claro cómo buscarlos. “He hecho algo terrible”, dijo. “He postulado una partícula que no se puede detectar”.
Afortunadamente, habló demasiado pronto. De hecho, los neutrinos son detectables, y los físicos piensan que podrían explicar hechos fundamentales sobre la naturaleza del universo que ha eludido a la ciencia durante décadas. Pero medirlos adecuadamente requerirá una hazaña colosal de ingeniería: el experimento de neutrinos subterráneos profundos, o duna para abreviar.
¿Cuál es el experimento de neutrinos subterráneos profundos?
Los conjuntos de plano de ánodo brillante dominan este panorama del criostato prototipo de 35 toneladas de capacidad para LBNF/Dune. (Imagen cortesía de: Reidar Hahn)
La duna es en realidad dos proyectos separados por 800 millas. En un extremo, cerca de Chicago, un acelerador de partículas en Fermilab generará un intenso haz de neutrinos apuntado con precisión (a través de la corteza de la Tierra) en las colinas negras de Dakota del Sur. Allí, casi una milla debajo de la superficie, un detector registrará datos sobre los neutrinos entrantes.
Sin embargo, el detector no hace esta gigante justicia. Consistirá en cuatro módulos, cada uno del tamaño de un bloque de la ciudad, erigido en cavernas de 7 pisos en el Centro de Investigación Underground de Sanford (se excavaron 800,000 toneladas de roca). Cada módulo tendrá 38 millones de libras de argón líquido, enfriado a 300 grados Fahrenheit.
“No es solo porque nos gusta hacer cosas difíciles”, dice Robert Wilson, profesor de física en la Universidad Estatal de Colorado y un miembro fundador de Dune.
Se debe a que los neutrinos son pequeños retoños resbaladizos, por lo que infinitesimales y antisociales que podrían viajar a través de un plomo de plomo y no mezclarse con un solo átomo. Esos tanques masivos de argón súper denso aumentan las probabilidades de interacciones de neutrinos y, por lo tanto, de señales detectables. En cuanto al tampón grueso de la Tierra, filtra partículas atmosféricas que contaminarían los datos sobre el suelo.
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Explicando por qué existe la materia
Todo este esfuerzo podría dar sus frutos a lo grande si Dune cumple su misión: revelar por qué el universo es cómo es, específicamente, por qué está lleno de materia. Porque, contraintuitivamente, eso no es lo que esperaríamos ver bajo el modelo estándar de física de partículas, la teoría que mejor describe el funcionamiento del cosmos. El Big Bang debería haber producido un número igual de partículas y antipartículas, y deberían haber emparejado en aniquilación mutua, dejando solo energía residual.
En cambio, vemos galaxias, estrellas y planetas, todas hechas de la astilla de la materia que escapó de la destrucción. Por el contrario, prácticamente no vemos antimateria. Entonces, en lugar del equilibrio predicho, el universo debe haber comenzado con una asimetría que favorecía ligeramente la materia.
“Tiene que haber algo un poco diferente sobre las antipartículas y las partículas”, dice Wilson, “tal que todas las antipartículas se engullen”.
Por qué estudiar neutrinos
Aquí es donde entran los neutrinos. A diferencia de otras partículas, no tienen una identidad fija; Cada uno puede cambiar de forma entre tres “sabores”. Para mostrar cuán dramático es el cambio, Wilson lo puso en términos de un compañero residente de Colorado podría entender: “Es como si comenzaras a conducir desde Denver y alguien te viera subir al auto, y luego cuando llegaste a Longmont, alguien más miró en el auto y era tu hermano”.
La idea detrás de Dune es medir si los neutrinos y los antineutrinos cambian u oscilan a diferentes tasas. Si lo hacen, el misterio puede resolverse: si los neutrinos oscilan más rápido, manteniéndose un paso por delante de sus doppelgängers, eso podría explicar por qué más importancia que la antimateria surgió del Big Bang. Las dos sustancias no serían imágenes espejo entre sí, sino entidades fundamentalmente diferentes con propiedades distintas.
Cuando una partícula y su antipartícula se comportan de manera diferente, los físicos dicen que Se ha violado la paridad de cargos. Tal violación ya se ha observado en Quarks (otro componente básico del universo), pero esa discrepancia no fue suficiente para dar cuenta de la preponderancia de la materia sobre la antimateria.
Los neutrinos, los menos entendidos de las partículas fundamentales, son quizás el último lugar para buscar otra violación de la paridad de carga que podría inclinar la escala.
Si Dune no lo encuentra, Wilson dice: “No sabremos por qué existe el universo. Tendremos que volver a poner nuestros límites de pensamiento”.
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La duna y las supernovas
Lo que sea que hagamos o no aprendamos sobre el origen de todo, Dune tiene otros objetivos. Lo más importante, podría arrojar nueva luz sobre cómo supernovas ocurrir. Quizás haya visto una imagen de una de estas explosiones estelares inconcebiblemente poderosas, una estrella solitaria que eclipsa las galaxias enteras.
Y, sin embargo, lo que es visible para nosotros es solo “una pequeña fracción de la energía total emitida”, según Wilson. Alrededor del 99 por ciento es neutrinos, “y hay algunos en su camino aquí”.
Los neutrinos de supernova solo tienen llegó a la tierra una vez En los 70 años los observamos. Fue en 1987, y aunque debe haber billones de billones de ellos, los tres detectores activos del mundo vieron solo dos docenas de interacciones. Cada vez que aparece el próximo estallido, el detector de Dune, muchas veces más grande que esos modelos de primera generación, podría atrapar cientos o miles.
“Solo espero que esperen”, dice Wilson, riendo. Además de eso, “si somos súper, súper afortunados”, agrega, incluso podríamos presenciar el nacimiento de un agujero negro.
Cuando una estrella extremadamente masiva se va Nova, se derrumba bajo su propia gravedad y se vuelve tan densa que nada puede escapar, incluso neutrinos. Entonces, desde nuestro punto de vista, veríamos un flujo constante de neutrinos (emitido por la supernova inicial) que se apaga abruptamente tan pronto como se forma un agujero negro.
Corriendo hacia el descubrimiento
Si todo sale según el plan, los detectores de argón estarán en funcionamiento, y sensibles a las próximas hordas de neutrinos de supernova, a fines de 2029, según la línea de tiempo oficial de Dune. Luego, el haz de neutrinos en Fermilab está programado para funcionar en vivo para 2031, lo que permite mediciones de oscilación.
Dicho esto, el proyecto ha enfrentado contratiempos en los últimos años. Y experimentos de neutrinos similares están en marcha en todo el mundo, especialmente el Observatorio Hyper-Kamiokande de Japón, que está programado para su finalización dos años antes. Con esa ventaja, podría vencer a Dune a algunos descubrimientos importantes.
Wilson señala, sin embargo, que Dune y Hyper-K son tan complementarios como competitivos. Uno usa argón líquido para su detector, el otro agua, y los resultados se apoyarán entre sí y proporcionarán diferentes tipos de información (al igual que la diferencia en la distancia entre el haz y el detector: 800 millas versus 200).
Estos experimentos podrían iluminar los primeros momentos después del Big Bang, los mecanismos detrás de las supernovas y mucho más. Por otro lado, también podrían cambiar nuestra comprensión de décadas de la partícula más abundante del universo. Quizás, por ejemplo, hay más que el trío de sabores conocidos.
“Tenemos este hermoso paradigma de tres neutrinos”, dice Wilson. “Pero es peligroso pensar que esa es toda la historia, porque los neutrinos nos han engañado antes”.
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Cody Cottier es un escritor colaborador de Discover Who Loves explorar grandes preguntas sobre el universo y nuestro planeta natal, la naturaleza de la conciencia, las implicaciones éticas de la ciencia y más. Tiene una licenciatura en periodismo y producción de medios de la Universidad Estatal de Washington.