Cómo es DUNE, el mega experimento subterráneo que develará misterios del origen del universo

En 1930, el físico austríaco Wolfgang Pauli lanzó una apuesta. Aseguró que nadie encontraría algo que él mismo había propuesto como un “remedio desesperado”, según sus propias palabras, para mantener la validez de una ley de conservación de la energía: los llamó neutrinos, partículas sin carga, indetectables, que eran los encargados de llevarse la energía que falta.

Veintiséis años después tuvo que saldar su apuesta, pagar una caja de champán. Es que en 1956, los investigadores Clyde Cowan y Fred Reines detectaron los antineutrinos emitidos por un reactor nuclear en el río Savannah en Carolina del Sur, Estados Unidos. Pese a que los neutrinos interactúan tan débilmente con la materia, allí estaban por primera vez.

Desde que Pauli propuso su existencia, los neutrinos fueron envueltos en una capa de misterio que hasta hoy no pudieron sortear. Quizás por eso organizaciones científicas de distintas partes del mundo llevan adelante DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), el megaproyecto más ambicioso hasta el momento, que pretende salir a la caza de esas partículas escurridizas, que guardan dentro suyo algunas de las inquietudes aún no resueltas respecto al 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 a Infobae Clara Cuesta Soria, doctora en Física, investigadora de la Unidad CIEMAT, una de las instituciones que participa del experimento.

La investigación sobre los neutrinos, durante casi el siglo que lleva en curso, tuvo vaivenes, descubrimientos que desmintieron teorías hasta entonces vigentes, pero aún persisten incógnitas fundamentales. En principio, no se contemplaba que los neutrinos tuvieran masa. El hallazgo de sus oscilaciones supuso un cambio radical al demostrar que su masa no es nula, aunque sí ínfima.

“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 titánica. Los científicos dicen que aún se requiere una medición precisa de los parámetros que los rigen, además advierten como esencial comprender la disparidad entre neutrinos y antineutrinos. Sin embargo, la motivación real detrás del megaproyecto DUNE es echar luz a una pregunta fundamental: ¿cómo se gestó el universo tal como lo conocemos hoy? ¿Cómo fue que durante el Big Bang prevaleció la materia?

DUNE será un experimento subterráneo colosal. La Sanford Underground Research Facility (SURF), ubicada en las profundidades de Dakota del Sur, Estados Unidos, albergará al detector gigante que perseguirá y buscará capturar los neutrinos. El plan de trabajo es arduo: durante tres años se deben remover 800 mil toneladas de roca para hacer espacio a contener el detector y sus sistemas de apoyo.

Pero el proyecto, además del detector en Dakota del Sur, tiene otra pata central que está ubicada en las afueras de Chicago. Se trata del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab), que está en la órbita del Departamento de Energía. Un acelerador del laboratorio creará un haz de neutrinos y lo disparará en línea recta a través de la corteza terrestre, de la que resurgirá a casi 1.300 kilómetros de distancia. Las partículas viajarán a una símil velocidad de la luz -99,9% de su potencia-, a alrededor de 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 interaccionan 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, recogida por sensores capaces de captar cantidades tan ínfimas como un único fotón”, explicó la física española.

El proyecto depende de una inversión multimillonaria. En 2014, los costos de DUNE se estimaban en torno a los 1.900 millones de dólares. Desde entonces, el experimento sufrió demoras y sobrecostos, que llevaron al Departamento de Energía a optar por reducir casi a la mitad el tamaño del detector ubicado en Dakota del Sur. Incluso así, en su versión más pequeña, la inversión hoy se calcula por encima de los 3 mil millones de dólares.

En cuanto a los plazos, en Fermilab son cautos. Después de finalizar la construcción de la red subterránea, esperan que se ponga en marcha una primera fase del experimento con el haz de neutrinos en 2031. En poco más de siete años, se espera que algunos misterios del universo comiencen a develarse.

Es una paradoja. Los neutrinos no ejercen ningún efecto sobre los objetos cotidianos que nos rodean, pero sí pueden dar respuesta a misterios insondables del origen del universo. Los neutrinos y sus hermanos antimateria, los antineutrinos existen en tres tipos según cómo se generen: los electrónicos, los muónicos y los tauónicos.

Los neutrinos y antineutrinos pueden oscilar en cantidades diferentes, una asimetría llamada violación de la paridad de carga. Medir esa asimetría es la zanahoria que persiguen los físicos porque podría ayudar a explicar cómo la maraña de partículas fundamentales en el universo primitivo, inmediatamente posterior al Big Bang, generó más materia que antimateria.

“El origen del universo es una cuestión tan complicada que ciertamente estamos muy lejos de comprenderla por completo. 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”.

Así los neutrinos, una de las partículas masivas más abundantes del universo, pero de la que poco y nada se sabe, que apenas tienen masa y no parecen afectarnos en nuestra vida diaria en lo más mínimo, podrían contener respuestas a misterios de miles de millones de años. Enigmas que aún permanecen sin resolver.