El proyecto de física de partículas más ambicioso jamás realizado por Estados Unidos está un paso más cerca de hacerse realidad.
El Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE) será un gigante tanto en términos presupuestarios como de ciencia básica: una cavernosa instalación multimillonaria del Departamento de Energía a una milla debajo de la ciudad de Lead, SD, que servirá como guante para atrapar partículas fantasmales, llamadas neutrinos, emitidas desde un laboratorio en Illinois.
Los físicos de partículas esperan que DUNE resuelva finalmente las mayores cuestiones abiertas en su imagen más coherente del universo, el Modelo Estándar. Incluso podría abordar la pregunta más antigua de todas las de la humanidad: por qué existimos nosotros (o cualquier materia).
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Ahora finalmente se está construyendo ese guante existencial del receptor. En un evento celebrado ayer en el Centro de Investigación Subterráneo de Sanford en Lead (anteriormente la mina de oro Homestake), los líderes del proyecto y los partidarios del gobierno se reunieron para firmar la primera viga de acero que se enviará bajo tierra, iniciando la construcción de los detectores de la instalación.
“Como habitante de Dakota del Sur, saber que en este terreno, nuestro pequeño pedazo de planeta, vamos a transformar nuestra comprensión de la materia es bastante increíble”, dijo el representante Dusty Johnson de Dakota del Sur. DUNE se financia principalmente a través del Departamento de Energía. Pero se trata de una colaboración internacional en la que participan 38 países: los 10 millones de libras de acero para el primer buque fueron aportados por el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas.
“DUNE ha sido el sueño de muchos miembros de la comunidad física durante más de dos décadas”, afirma Sowjanya Gollapinni, coportavoz de la colaboración DUNE. “Es el momento en que esto se vuelve real”.
El neutrino es una partícula casi ingrávida que navega a través de la materia como un fantasma. Ninguna otra partícula conocida es tan tímida en sus interacciones: un neutrino puede atravesar un bloque de plomo de un año luz de longitud sin tocar un solo átomo. También cambia de forma; produce uno de los tres “sabores” de neutrinos en un haz que se dirige hacia el oeste desde la ciudad de Nueva York, y cuando su amigo en Los Ángeles lo mida, ese neutrino probablemente tendrá un sabor diferente.
Estas propiedades alucinantes son la razón por la que el neutrino sigue siendo el menos comprendido de todos los personajes del Modelo Estándar. Los físicos ni siquiera pueden decir cómo están ordenadas las masas de los tres neutrinos, y mucho menos precisar sus valores exactos. Esperan que las rarezas de la partícula oculten una respuesta a una pregunta casi filosófica que plantea el Modelo Estándar: ¿Por qué hay algo en lugar de nada?
La conexión del neutrino con materias tan importantes se basa en el hecho de que básicamente cada proceso fundamental de generación de materia también produce antimateria en cantidades iguales. Sin embargo, el resultado del big bang fue de alguna manera una pequeña porción más de materia que antimateria; todas las galaxias, el polvo y los seres vivos del universo pertenecen a este minúsculo exceso. Muchos físicos sospechan que el extraño comportamiento de cambio de forma de los neutrinos podría haber desempeñado un papel clave en este enigma cósmico.
El proyecto Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) y representantes del gobierno conmemoraron el inicio de la construcción de la instalación firmando la primera viga de acero que se enviará bajo tierra.
605 Medios y entretenimiento/Landin Burke
Los científicos han estado estudiando la “oscilación” de neutrinos durante décadas transmitiendo neutrinos desde fuentes (como colisionadores de partículas o reactores nucleares) a detectores lejanos. Luego miden cuántos neutrinos han cambiado de sabor durante el tránsito.
DUNE pretende llevar este enfoque al límite. Los físicos utilizarán un acelerador de partículas en el Fermilab de Batavia, Illinois, para producir el haz de neutrinos más intenso jamás creado, un compañero de DUNE oficialmente denominado Instalación de Neutrinos de Base Larga (LBNF). El LBNF apuntará hacia abajo y hacia el oeste desde Fermilab, apuntando directamente al corazón de la caverna de DUNE debajo de Lead, a 800 millas de distancia, que estará llena con decenas de millones de libras de argón líquido.
“Todo lo relacionado con DUNE no tiene precedentes: el haz de neutrinos más intenso, los detectores de argón líquido más grandes, las distancias más largas que recorren los neutrinos”, dice Gollapinni. “Es realmente sorprendente”.
Para permanecer líquido sin congelarse ni hervir, todo ese argón debe mantenerse en un rango estrecho de frío extremo, a solo unos pocos grados de los -300 grados Fahrenheit. Los átomos del argón que se empujan liberarán electrones cuando, muy raramente, son golpeados por neutrinos que pasan, creando una señal que los físicos pueden detectar. Pero antes de que esto suceda, el personal de DUNE debe construir dos enormes contenedores de acero para el argón. Esta es la fase del proyecto que ahora comienza.
El primer paso implica colocar 10 millones de libras de vigas de acero bajo tierra a través de un pozo de 20 pies de ancho, y eso solo cubre el primer contenedor. Los líderes del proyecto comparan la tarea con la construcción de un barco dentro de una botella de vidrio, excepto que el cuello de la botella mide una milla de largo y el barco es un portaaviones de escala un décimo. Esperan tener el primer contenedor terminado en unos nueve meses.
Pero incluso una vez que hayan ensamblado ambos contenedores, aún necesitarán prepararlos para que se conviertan en los detectores de neutrinos más elaborados y sensibles jamás construidos. Antes de introducir argón, los contenedores deben estar conectados con cientos de enormes rejillas de alambre, cada una compuesta por miles de finos alambres ensartados a mano y que ahora se encuentran en construcción.
Las vastas ambiciones del proyecto ya han acumulado unos cinco años de retraso y, en total, su precio para los contribuyentes se ha disparado a casi 5 mil millones de dólares. El objetivo actual es tener el primer detector en funcionamiento a principios de 2030. Eso podría significar que, incluso en el mejor de los casos, DUNE no determinará el orden de masa de los neutrinos hasta 2034, y cualquier respuesta a la cuestión del desequilibrio materia-antimateria no llegaría hasta finales de esa década.
Es mucho tiempo de espera, dado que Estados Unidos no es el único competidor en lo que es verdaderamente una carrera global para dilucidar la partícula final en el mejor modelo de la realidad de los físicos. El experimento de neutrinos Hyper-Kamiokande (Hyper-K) de Japón está en camino de comenzar a tomar datos en 2028. Hyper-K puede medir la asimetría materia-antimateria antes de DUNE, pero hacerlo dependerá de qué tan bien pueda mantenerse el proyecto de Japón, y si la respuesta aún desconocida está al alcance del enfoque más modesto de este proyecto competidor.
Mientras tanto, el experimento del Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO) de China publicó sus primeros resultados a finales del año pasado. JUNO es esencialmente una versión reducida y completamente independiente de DUNE, una instalación subterránea a unas 90 millas al oeste de Hong Kong que coloca un detector de líquido más pequeño y diferente en el camino de los haces de neutrinos de dos reactores nucleares. El proyecto de China ya ha proporcionado una precisión líder en el mundo para la brecha entre las dos masas de neutrinos más pequeñas, una parte clave para determinar el orden. JUNO espera ganarle a DUNE en esa respuesta, pero no está diseñado para resolver el exceso de materia por sí solo.
“No creo que la gente pase todos los días pensando: ‘Tenemos que ser los primeros’”, dice Edward Blucher, físico de DUNE de la Universidad de Chicago. “En 20 años, sabremos mucho más sobre este tipo de ciencia, y será el resultado de cosas que se midieron con Hyper-K, JUNO y DUNE”.
“Todos nosotros somos muy conscientes de que en este proyecto se ha hecho una gran inversión y que debemos ejecutarlo con éxito”, concluye Blucher. “Es muy importante para este experimento en sí, pero creo que también lo es para el futuro de la física de partículas en Estados Unidos”.