A una milla bajo las Black Hills, los científicos están construyendo detectores gigantes para analizar partículas de neutrinos, y posiblemente encontrar la respuesta a la existencia.
Durante más de un siglo, el pueblo minero de Lead, en las Black Hills de Dakota del Sur, atrajo a trabajadores con gusto por el oro. Ahora, un experimento emblemático que se está construyendo en la vieja mina está atrayendo a científicos en busca de riquezas más fascinantes: respuestas a los misterios más profundos del universo.
La construcción del Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (Dune) en la antigua mina Homestake comenzará el lunes. Los ingenieros empezarán a ensamblar cuatro gigantescos detectores dentro de cavernas excavadas con explosivos en la roca a una milla de profundidad.
Una vez encendidos, los detectores destellarán y parpadearán silenciosamente mientras unas partículas fantasmales llamadas neutrinos los atraviesan a toda velocidad. Algunos llegarán desde el sol y supernovas distantes, otros en un intenso haz enviado a través de 1.300 km (800 millas) de roca desde un laboratorio gubernamental cerca de Chicago, Illinois.
Observar los neutrinos podría revelar una ciencia completamente nueva y arrojar luz sobre espectáculos cósmicos, como la muerte de las estrellas y el nacimiento de los agujeros negros. Los científicos tienen especial esperanza de resolver uno de los enigmas más perdurables de la naturaleza: por qué todo lo que nos rodea está hecho de materia y no de su "gemela malvada", la antimateria. En otras palabras, por qué nosotros, y por qué cualquier cosa, estamos aquí en absoluto.
«Es un momento sumamente emocionante para trabajar en esto», dijo la Dra. Kate Shaw, física experimental de partículas de Dune, de la Universidad de Sussex. «Los neutrinos aún no tienen sentido y podrían abrir la puerta a una nueva física».
Los neutrinos son las partículas de materia más abundantes del universo, superados en número solo por los fotones, las partículas de luz sin masa que iluminan el universo. Se producen en reacciones nucleares naturales, como las que alimentan el sol, en la desintegración radiactiva y en los aceleradores de partículas.
Incluso para los estándares de los físicos, los neutrinos son peculiares. Estas partículas sin carga apenas interactúan con otra materia: alrededor de un billón atraviesan tu cuerpo inadvertidamente cada segundo. Los neutrinos vienen en tres variedades, todas con masas minúsculas pero diferentes. Curiosamente, cambian de una variedad a otra, un proceso llamado oscilación, mientras viajan. "Es un comportamiento muy extraño", dijo Shaw. "Es como si yo te lanzara una manzana y se convirtiera en un plátano".
El plomo tiene una historia con estas peculiares partículas. En la década de 1960, el físico Ray Davis siguió a los mineros por el pozo y construyó un detector a partir de un tanque de 100.000 galones lleno de líquido de limpieza en seco. Protegido tan profundamente bajo tierra, el detector se convirtió en el primero en registrar neutrinos del sol cuando golpeaban átomos de cloro en el líquido y los convertían en argón.
La mina cerró en 2001 y se transformó, gracias a una previsión visionaria, en un laboratorio subterráneo dedicado, el Sanford Underground Research Facility (Surf). Ya alberga el experimento Lux-Zeplin (LZ), que el mes pasado informó de la primera posible detección de materia oscura.
«Hemos pasado de extraer minerales de la Tierra a ayudar a los científicos a explorar el universo», dijo Robin Lucero, administrador municipal de Lead, cuya familia ha vivido en la zona durante generaciones. «Estamos increíblemente orgullosos y afortunados de que Dune se esté desarrollando aquí, y Surf, que tiene otros experimentos como LZ. Contar con ciencia de clase mundial trae nuevas oportunidades, nuevas personas y nuevas posibilidades para nuestros negocios locales y, especialmente, para nuestros jóvenes.»
A diferencia del aparato de Davis, el experimento Dune es enorme. Hechos con más de 4.000 toneladas de acero, los detectores tendrán hasta cinco pisos de altura y contendrán en conjunto 70.000 toneladas de argón líquido que debe enfriarse a -200 °C. Ensamblar los detectores debería llevar casi tres años. Llenarlos con argón líquido, otro año más.
«Esta es una operación de ingeniería de uso intensivo», y una colaboración con la cualificada mano de obra local, afirmó el profesor David Newbold, del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido y portavoz de Dune. «Es como construir un barco bajo tierra». El Reino Unido es el mayor socio internacional en el experimento liderado por Estados Unidos y está fabricando componentes esenciales del detector, sistemas informáticos críticos para reconstruir los eventos en los detectores y el blanco de grafito necesario para generar neutrinos en Fermilab, una instalación de física de partículas en Illinois.
Una vez operativo, Dune estudiará un intenso haz de neutrinos enviado desde Fermilab a través de 800 millas de corteza y manto terrestres. La mayoría de los neutrinos atravesarán todo de forma directa, pero de vez en cuando uno chocará con un átomo de argón, creando un destello de luz y un pulso de carga eléctrica. Analizar estos revelará detalles íntimos sobre las misteriosas partículas.
Una gran pregunta rodea las masas de los diferentes neutrinos. ¿Cuál es el más ligero y cuál el más pesado? La respuesta podría revelar nuevas fuerzas fundamentales de la naturaleza. Y en un intento por responder a la cuestión de la materia frente a la antimateria, Dune buscará diferencias sutiles entre los neutrinos y sus gemelos de antimateria, los antineutrinos.
Más allá de los haces de partículas enviados desde Fermilab, Dune también estudiará neutrinos que llegan del espacio, portando consigo información fresca sobre explosiones estelares y la formación de agujeros negros.
A principios de este mes, el premio Nobel de física honró al investigador belga Francis Halzen, quien utilizó un kilómetro cúbico de la Antártida para detectar neutrinos de alta energía provenientes del espacio profundo. Pero la detección está lejos de ser el final de la historia. «Esta realmente va a ser una era dorada», dijo Newbold. «Hay mucho más de eso por venir».
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