La participación brasileña en la mayor investigación de neutrinos de la actualidad

Científicos podrán hacer su contribución al sistema de fotodetección del Dune, un experimento multimillonario orientado a escudriñar la estructura de la materia y responder preguntas relativas a la formación del Universo

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La participación de científicos de instituciones de Brasil y de otros países de Latinoamérica en uno de los mayores proyectos científicos de la actualidad fue el tema del Dune Workshop, realizado en la sede de la FAPESP, en São Paulo, el pasado día 1º de junio.

El Dune –el Deep Underground Neutrino Experiment– es el más ambicioso emprendimiento concebido para el estudio de los neutrinos. Y se puede decir que su importancia para la investigación de los neutrinos será tan grande como la del LHC (el Large Hadron Collider) para el estudio de los hadrones y sus componentes. Esta comparación es algo más que una comodidad retórica. Sucede que, aunque se enfoque en otro tipo de partículas, el Dune es igualmente una iniciativa multimillonaria, destinada a investigar en profundidad la estructura de la materia y a responder algunas de las más inquietantes preguntas referentes a la formación del Universo.

El Deep Underground Neutrino Experiment es una colaboración internacional con sede en el Fermilab (el Fermi National Accelerator Laboratory), en Estados Unidos, y tiene un costo estimado en 1.000 millones de dólares. Ya se congregan allí 970 colaboradores de 164 instituciones de investigación de 31 países. La construcción de los artefactos está empezando a concretarse este año. Y el inicio de las operaciones está programado para el año 2026.

El workshop realizado en la FAPESP se organizó por iniciativa de los profesores Ettore Segreto, del Instituto de Física Gleb Wataghin, de la Universidad de Campinas (Unicamp), y Ana Amélia Bergamini Machado, del Centro de Ciencias Naturales y Físicas, dependiente de la Universidad Federal del ABC. Y entre otros científicos del país y del exterior, contó con la participación del profesor Mark Thomson, del Departamento de Física de la Cambridge University, uno de los portavoces de la colaboración Dune. “El Dune es el próximo gran proyecto global en física de partículas. Y hará por los neutrinos algo equivalente a lo que hizo el LHC por el bosón de Higgs”, le dijo Thomson a Agência FAPESP.

La FAPESP apoya la participación brasileña en el Dune a través del Proyecto Temático intitulado “Los desafíos para el siglo XXI en física y astrofísica de neutrinos”, coordinado por Orlando Luis Goulart Peres, y del Apoyo a Jóvenes Investigadores denominado “Programa de argón líquido en la Unicamp”, coordinado por Ettore Segreto.

Tal participación no se resume a formar parte de equipos internacionales, sino que asume un efectivo protagonismo a través del dispositivo Arapuca, un fuerte candidato a erigirse en detector de fotones del Dune. El Arapuca, creado por Ettore Segreto y Ana Amélia Bergamini Machado, y tal como su nombre lo sugiere (una arapuca –palabra proveniente del tupí– es una trampa, en portugués), es una especie de trampa para capturar la luz. De concepción ingeniosa y bajo costo, se utilizará en el sistema de fotodetección de los dos principales experimentos precursores del Dune: el ProtoDune, que entrará en operación en el CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear) en octubre de 2018, y el Short-Baseline Neutrino Program (SBN), que ya se encuentra parcialmente en actividad en el Fermilab y se espera que esté funcionando a pleno en 2019. Para que responda también por el sistema de fotodetección del Dune, el Arapuca deberá ganar una competencia con otros dos dispositivos postulados. Y existen grandes posibilidades de que eso ocurra.

Entre los diversos sistemas que requiere un experimento del porte del Dune, la fotodetección desempeña un rol crucial, pues a través del centelleo producido en los tanques de argón líquido que componen el gran detector, los investigadores obtendrán las respuestas a sus preguntas.

Violación de simetría

El neutrino, postulado por el físico austríaco Wofgang Pauli (1900-1958) en 1930 para cerrar el balance energético del decaimiento o la desintegración beta del neutrón (fuera del núcleo atómico, el neutrón decae en poco tiempo, dando origen a un protón, un electrón y un antineutrino), y encarado de entrada con un cierto escepticismo por la comunidad científica, constituye actualmente uno de los principales objetos de estudio de la Física. Existen al menos cuatro motivos sumamente consistentes para ello.

Primero: es la partícula material más abundante del Universo, y en la lista de los objetos que la ciencia estudia ocupa el segundo lugar en abundancia, después del fotón (la partícula responsable de la interacción electromagnética, o sencillamente, la partícula de luz).

Segundo: por el hecho de no ser susceptible a la interacción electromagnética ni a la interacción nuclear fuerte, el neutrino es capaz de atravesar enormes extensiones de materia común, incluso los cuerpos más compactos, sin que su movimiento se vea impedido o desviado.

Tercero: en el llamado Modelo Estándar de la Física de Partículas, el neutrino forma parte de la familia de los leptones. Por cada leptón cargado electrónicamente (el electrón, el muon y el tau), existe un tipo de neutrino correspondiente. De este modo, existen tres tipos o “sabores” (“flavors”) conocidos de neutrinos: el neutrino del electrón, el neutrino del muon y el neutrino del tau. La transformación de un tipo o “sabor” en otro, denominada “oscilación de neutrinos”, prevista por el físico italiano Bruno Pontecorvo (1913-1993), se vio confirmada por los experimentos que se realizaron en los observatorios SNO (Canadá) y Super-Kamiokande (Japón). Dicha “oscilación” se produce espontáneamente durante la propagación de la partícula por el espacio, y puede suministrar la clave de la comprensión de un fenómeno denominado “violación de la simetría de carga-paridad de los leptones” (charge-parity violation o CPV). De acuerdo con el modelo hegemónico sobre la formación del Universo, fue esa “violación de simetría” la que produjo enseguida después del Big Bang un pequeño excedente de materia con relación a la antimateria. Y ese excedente compone actualmente el universo conocido.

Cuarto: confirmando otra anticipación de Pontecorvo, en los experimentos SNO y Super-Kamiokande quedó demostrado que los neutrinos tienen masa. A decir verdad, la oscilación sólo es posible debido a la existencia de la masa, pues solamente partículas masivas pueden oscilar. Si bien la masa de cada neutrino es muy pequeña, existen tantos neutrinos en el Universo que su masa total se vuelve sumamente relevante. Por eso a los neutrinos se los considera actualmente aspirantes a componer, junto con otras partículas exóticas, la llamada “materia oscura”. De acuerdo con las estimaciones más actualizadas, la materia conocida integra solamente alrededor del 4% del contenido del Universo, mientras que la “materia oscura” responde por más del 20%, y la “energía oscura” por más del 70%.

Nuestro planeta es atravesado regularmente por billones de neutrinos cuya producción se remonta a los primeros tiempos del Universo; neutrinos provenientes de fuentes extragalácticas; neutrinos generados en el interior de las estrellas de la Vía Láctea; neutrinos originados en el Sol y neutrinos resultantes del choque de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. Además de éstos, existen también los neutrinos producidos en la propia superficie de la Tierra debido al decaimiento beta [el decaimiento beta es el proceso por el cual un núcleo atómico inestable se transforma en otro al emitir una partícula beta (un electrón o un positrón) y un antineutrino o neutrino]. El mismo puede ser suscitado artificialmente en aceleradores de partículas (lea la descripción de este proceso más adelante) o ser producto de reacciones nucleares en centrales generadoras de energía eléctrica como la de Angra dos Reis, –en el estado de Río de Janeiro, Brasil–, por ejemplo. Sin embargo, pese a que están por todas partes, los neutrinos, tal como lo recordó el profesor Thomson en entrevista concedida a Agência FAPESP, son probablemente “las partículas más misteriosas del Universo”.

El Dune (Deep Underground Neutrino Experiment) fue concebido para dilucidar este misterio, al menos en parte. Y para entender, con base en el comportamiento de los neutrinos, procesos que siguen siendo igualmente oscuros, como lo es el de la “violación de la simetría de carga-paridad” (CPV), entre otros objetivos. A tal fin, en este experimento se utilizarán prioritariamente neutrinos producidos en el acelerador del Fermilab, que compondrán el más poderoso haz de neutrinos hasta ahora estudiado.

La producción de este haz empezará con la aceleración de protones, que serán lanzados sobre discos de grafito o materiales similares. Al colisionar con los átomos de carbono del grafito, los protones acelerados producirán piones (mesones, cada uno de ellos compuesto por un cuark y un anticuark). Un dispositivo magnético confinará a los piones positivos en un haz estrecho. Por medio del decaimiento beta, esos piones positivos se desintegran espontáneamente en antimuones (leptones similares a los positrones, pero con una masa mucho mayor) y neutrinos. Una barrera de hormigón y acero detendrá a los antimuones y dejará pasar a los neutrinos. En resumen: entrarán protones y saldrán neutrinos. Así es como se formará el haz.

Uno de los principales objetivos del Dune, orientado al estudio de la CPV, consistirá en comparar el patrón de oscilación de los neutrinos con el patrón de oscilación de los antineutrinos. Los antineutrinos son las antipartículas de los neutrinos, que se distinguen de los neutrinos debido a que su espín tiene sentido horario en lugar de antihorario, cuando se lo observa en el eje del movimiento. Si esos patrones no son rigurosamente simétricos, el experimento les suministrará a los investigadores una prueba concreta de la “violación de la simetría de carga-paridad”. Por otra parte, existe también la posibilidad de que el neutrino sea su propia antipartícula, en cuyo caso constituiría un ejemplo concreto de un tipo hipotético de partículas denominadas “fermiones de Majorana” (previstas teóricamente por el gran físico italiano Ettore Majorana en 1937).

Diseño del Dune, que entrará en operación en 2026. El poderoso haz de neutrinos, producido por el acelerador de partículas del Fermilab, en Illinois, viajará 1.300 kilómetros hasta llegar al segundo detector, ocupado con 70 mil toneladas de argón líquido y situado 1.500 metros por debajo del nivel del suelo, en Dakota del Sur.

Setenta mil toneladas de argón líquido

Para realizar las mediciones que suministrarán respuestas a éstas y a otras cuestiones, el Dune dispondrá de dos grandes detectores, ambos situados en Estados Unidos y ubicados a lo largo de la línea de propagación del haz. El primero estará muy cerca de la fuente, en el propio Fermilab, en el estado de Illinois. En tanto, el segundo, mucho mayor, estará muy por debajo del nivel del suelo y a 1.300 kilómetros de la fuente, en el estado de Dakota del Sur. No será necesario construir ningún túnel de esa extensión, ya que, debido a que no tienen carga, los neutrinos se propagan en línea recta, sin sufrir ningún tipo de desvío. Viajan a una velocidad cercana a la de la luz y logran atravesar cualquier tipo de material existente en el camino. Por eso, para llegar al segundo detector, basta con apuntar rigurosamente al haz en la dirección correcta. El conjunto de instalaciones, en ambas puntas, lleva el nombre de Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).

“El financiamiento para la construcción de la LBNF cuenta con alrededor de un 75% de aporte estadounidense y aproximadamente un 25% de aporte internacional. En tanto, en la financiación del Dune, considerando los detectores y otros aparatos necesarios, la proporción se invierte: un 25% de aporte estadounidense y un 75% de aporte internacional”, contabilizó Thomson.

La gran característica tecnológica del Dune consiste en que su sistema de detección se basará en el uso de argón líquido, y no de otras sustancias, como el agua, utilizada en el detector Super-Kamiokande, de Japón, por ejemplo. El segundo detector del Dune, que quedará instalado en la Sanford Underground Research Facility (SURF), estará a su vez constituido básicamente por cuatro módulos gigantescos, cada uno con un relleno de 17 mil toneladas de argón mantenido en estado líquido mediante una refrigeración a menos 184 grados Celsius. “En muchos de los experimentos anteriores con neutrinos se utilizaron detectores rellenados con agua. Pero el argón líquido permitirá obtener imágenes de las interacciones en 3D, con un grado de detalle y precisión sin precedentes”, afirmó Thomson.

Tal como el investigador lo explicó, la elección del material tuvo en cuenta cuatro virtudes del argón líquido: se trata de un material inerte (cabe recordar que el argón está presente en la columna de los “gases nobles” de la Tabla Periódica, donde se congregan seis elementos naturales de baja reactividad química); es relativamente barato; soporta altos voltajes (necesario para los sistemas de detección) y, por encima de todo, es un excelente centellador.

Ubicado a casi 1.500 metros por debajo del nivel del suelo, el detector quedará protegido contra los rayos cósmicos que llegan a la Tierra, e idealmente será atravesado tan sólo por los neutrinos producidos en el Fermilab y por neutrinos provenientes de fuentes estelares. Por no ser susceptibles a la interacción electromagnética y a la interacción nuclear fuerte, sino únicamente a la interacción nuclear débil y a la interacción la gravitacional, los neutrinos no podrán detectarse directamente. Lo que el detector registrará serán las duchas de partículas y luz producidas cuando éstos interactúen con los átomos de argón. Los centelleos ocurrirán cuando los aportes de energía provenientes de los neutrinos arranquen de sus órbitas a los electrones de los átomos de argón.

La desintegración de protones y la formación de agujeros negros

Thomson puso de relieve tres objetivos principales de la investigación: el origen de la materia, al explorar la conexión de las oscilaciones de los neutrinos con la “violación de la simetría de carga-paridad de los leptones”, la unificación de las cuatro interacciones del Universo (gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), mediante la detección de señales de desintegración de protones en los grandes tanques de argón líquido, y la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros, a través de la observación de neutrinos provenientes del colapso de supernovas.

El decaimiento o desintegración de los protones no depende de los neutrinos. Se trata de un fenómeno espontáneo, previsto en la teoría, pero nunca observado. La dificultad de observación se debe a la gran estabilidad de los protones, cuya semivida es extremadamente larga. La semivida es el tiempo necesario para que la muestra de un determinado material se reduzca a la mitad debido al proceso de decaimiento, en el cual el material se descompone en otros de menor energía. En el caso de los protones, el tiempo previsto en la teoría es superior a 10³³ años, es decir, más de tres veces la edad estimada del Universo. Sin embargo, como la semivida es un concepto estadístico, ese número se refiere al decaimiento de una colectividad de partículas y no a partículas individuales. Nada impide que protones individuales se hayan desintegrado en el pasado o estén decayendo ahora.

Cuatro tanques gigantescos de argón líquido, con billones de protones y sistemas de detección de precisión sin precedentes constituyen el escenario ideal para que un evento de esta naturaleza pueda registrarse, en caso de que se produzca. En tal caso, el experimento suministrará una comprobación empírica de modelos supersimétricos que apuntan a unificar a tres de las cuatro interacciones conocidas: electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil (la cuarta interacción, que es la gravitacional, aún no ha sido incorporada a los modelos, debido a la inexistencia de una teoría cuántica de la gravitación).

En cuanto al tercer objetivo de la investigación, es de especial interés para el estudio de la génesis de estrellas de neutrones y agujeros negros. Colapsos de núcleos de supernovas situadas en las inmediaciones del centro de la Galaxia envían a la Tierra flujos de neutrinos con intensidades del orden de las mil partículas por segundo. El rastreo de los trazos de estas partículas en los tanques de argón líquido permitirá acompañar, caso paso por paso, la transformación de estos objetos en cuerpos ultradensos, tales como estrellas de neutrones y agujeros negros, por fuerza de la compresión gravitacional.

Sea cual sea el objetivo, la detección precisa del centelleo del argón líquido es fundamental. Con el detector de fotones Arapuca, los científicos de instituciones brasileñas esperan tener un papel relevante en la colaboración internacional del Dune. Y procuran entablar colaboraciones con pares de otros países de Latinoamérica para promover y dotar de consistencia al protagonismo de la región. “En tan sólo un año de contactos, nuestro grupo congrega a alrededor de 60 investigadores entre docentes y alumnos de la Universidad de Campinas (Unicamp), la Universidad Federal del ABC (UFABC), la Universidade Estadual Paulista (Unesp), la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), la Universidad Federal de Juiz de Fora (UFJF), la Universidad Federal de Alfenas (Unifal), la Universidad Federal Fluminense (UFF), la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), la Universidad Federal de Goiás (UFG) y la Universidad Estadual de Feira de Santana (UEFS). Mantenemos también colaboraciones con científicos de Colombia, Perú, Paraguay, México y Argentina. Y además, con investigadores de Estados Unidos, Italia, Francia, el Reino Unido y Holanda”, informó Ana Amélia Bergamini Machado.

“La profesora Ana Amélia y yo somos responsables de todo el sistema de fotodetección del ProtoDune, que está siendo construido ahora mismo en el CERN, con el objetivo de poner a prueba todas las soluciones tecnológicas y técnicas que se utilizarán posteriormente en el Dune. El Arapuca es uno de los principales componentes de ese sistema”, añadió Ettore Segreto.

“En el ProtoDune, la prueba no se hará con neutrinos sino con un haz de partículas cargadas electrónicamente, producidas por uno de los aceleradores del CERN. Ese haz será direccionado hacia un detector rellenado con alrededor de mil toneladas de argón líquido. Será el mayor detector de esta naturaleza hasta la construcción del primer módulo del Dune, con 10 mil toneladas. En total, el Dune utilizará 70 mil toneladas, de las cuales 40 mil compondrán el tanque de detección propiamente dicho”, añadió.

El otro programa al cual se está incorporando el Arapuca es el Short-Baseline Neutrino Program (SBN), del Fermilab. En el SBN se utilizará un haz de neutrinos mucho menos potente que el que está programado para el Dune, y tres detectores apostados en una línea que va de los 100 metros a los 1.000 metros de la salida del haz. Aparte de la contribución que le suministrará el SBN al Dune, con el desarrollo de la tecnología de detección basada en el argón líquido, el programa se justifica por sí mismo, dados los conocimientos que puede aportar a la física de los neutrinos.

¿Qué son las masas de los neutrinos? ¿Los neutrinos serían sus propias antipartículas? ¿Los neutrinos y los antineutrinos oscilan en forma distinta? ¿Existen otros tipos de neutrinos aparte de los tres “sabores” conocidos? Éstas son las principales preguntas que están en el horizonte del SBN. Un objeto de investigación de especial interés es el denominado “neutrino estéril”, cuya eventual existencia configuraría el cuarto “sabor”.

El “neutrino estéril” no participaría en la interacción nuclear débil. Su única interacción con la materia conocida del Universo se concretaría a través de la gravitación. Por eso resulta prácticamente imposible detectarlo en forma directa. Con todo, su presencia podría percibirse a través de la influencia que ejerce en el patrón de oscilación de haz de neutrinos. Una anomalía observada en experimentos anteriores (LSND y MiniBoone) sugirió esa posible presencia. La sugirió, pero no la confirmó. Su eventual confirmación constituye uno de los objetivos que se le plantean ahora al SBN.