DUNE: disparar neutrinos 1.300 kilómetros a través de la Tierra

Un haz, dos detectores, 1.300 kilómetros de separación

DUNE no es un único instrumento sino un sistema de tres partes. En Fermilab, cerca de Chicago, la Long-Baseline Neutrino Facility producirá el haz de neutrinos de alta energía más intenso jamás construido, empezando con 1,2 megavatios de potencia de haz de protones y con una vía de ampliación hasta aproximadamente el doble. Un detector cercano, a unos cientos de metros de la fuente, mide el haz al salir: su composición, su espectro de energía, su intensidad.

Después el haz recorre 1.300 kilómetros de roca maciza. Nada lo guía y nada lo contiene; los neutrinos simplemente atraviesan el manto como si no estuviera, dispersándose despacio por el camino. No hace falta ningún túnel ni existe. El haz se apunta hacia abajo desde Illinois y emerge, por así decirlo, en Dakota del Sur.

Allí espera el detector lejano, a 1,5 kilómetros bajo la superficie, en la Sanford Underground Research Facility. Mide lo que llega. Como el detector cercano ya ha caracterizado lo que se envió, la diferencia entre ambos es la física: cuántos neutrinos muónicos desaparecieron, cuántos electrónicos aparecieron y a qué energías.

El diseño de dos detectores es lo que hace robusta la medida. La mayoría de las incertidumbres sistemáticas (intensidad del haz, modelado del flujo, hipótesis sobre secciones eficaces) afectan de forma parecida a ambos detectores y se cancelan en buena medida al compararlos. Es el mismo principio que usa T2K en Japón con Super-Kamiokande como detector lejano, escalado en distancia, masa y potencia de haz.

Por qué argón líquido

Un detector Cherenkov de agua ve un anillo de luz y deduce la partícula por su forma. Una cámara de proyección temporal de argón líquido hace algo más parecido a fotografiar. Cuando una partícula cargada cruza el argón líquido, ioniza átomos a lo largo de su trayectoria. Un campo eléctrico intenso arrastra lateralmente, a lo largo de metros, los electrones liberados hacia un plano de hilos o píxeles de lectura muy juntos, que registran dónde y cuándo llegó cada uno.

Como la velocidad de arrastre se conoce, el instante de llegada da la tercera coordenada. El resultado es una reconstrucción tridimensional completa de cada traza del suceso, con resolución de pocos milímetros, junto con la energía depositada a lo largo de cada una. Las partículas pueden identificarse por cómo pierden energía, y no solo por la forma de un cono de luz.

Eso importa para la física que persigue DUNE. Distinguir un electrón de un fotón, o resolver las partículas individuales que salen de una interacción complicada, es mucho más fácil con una imagen que con un anillo. Se usa argón porque es denso, químicamente inerte, transparente a su propia luz de centelleo y, al ser alrededor del uno por ciento de la atmósfera, está disponible en la cantidad necesaria a coste industrial.

El precio en ingeniería es la criogenia. Setenta mil toneladas de argón deben mantenerse a unos menos 186 grados Celsius y con una pureza en la que los contaminantes como el oxígeno se miden en partes por billón, porque unas pocas moléculas de oxígeno capturarían los electrones en deriva antes de que llegaran a la lectura.

El experimento en cifras

DUNE está en construcción. Las cifras siguientes describen el diseño aprobado y, allí donde la excavación y los prototipos están terminados, lo ya construido.

• Distancia base: 1.300 kilómetros, de Fermilab (Batavia, Illinois) a Lead, Dakota del Sur
• Detector lejano: cuatro módulos de unas 17.000 toneladas de argón líquido cada uno, alrededor de 70.000 en total
• Profundidad: aproximadamente 1,5 kilómetros bajo tierra en la Sanford Underground Research Facility
• Haz: Long-Baseline Neutrino Facility, 1,2 megavatios al principio, ampliable hacia 2,4
• Tecnología: cámara de proyección temporal de argón líquido, imagen tridimensional de trazas a escala milimétrica
• Colaboración: más de 1.400 científicos de más de 200 instituciones en más de 30 países
• Historia del emplazamiento: la antigua mina de oro de Homestake, donde Raymond Davis Jr. realizó el primer experimento de neutrinos solares
• Estado: excavación del emplazamiento lejano terminada en 2024; primeros módulos esperados hacia el final de la década

La pregunta para la que se construye DUNE

El universo está hecho de materia. El Big Bang debería haber producido materia y antimateria a partes iguales, que se habrían aniquilado por completo dejando radiación y nada más. Algo inclinó la balanza, y el desequilibrio necesario es pequeño, del orden de una parte en mil millones, pero es la razón de que exista cualquier cosa.

Una explicación candidata es la violación de CP: una diferencia en cómo se comportan las partículas y sus antipartículas. Entre los quarks se observa una pequeña cantidad desde los años sesenta, pero es muy insuficiente para dar cuenta de la asimetría. La esperanza restante es que el efecto sea mucho mayor en el sector leptónico, y el neutrino es donde se manifestaría.

La prueba es directa en principio. Se disparan neutrinos muónicos y se cuenta cuántos llegan como electrónicos. Después se disparan antineutrinos muónicos y se cuenta cuántos llegan como antineutrinos electrónicos. Si la oscilación trata ambos casos por igual, las proporciones coinciden. Si no, la simetría CP está violada en el sector leptónico.

La dificultad está en la estadística y el control. El efecto, de existir, es una diferencia moderada entre dos números pequeños, lo que exige un detector enorme, un haz muy intenso, una distancia larga y años de toma de datos. Ese conjunto de requisitos es, en esencia, el pliego de condiciones de DUNE.

Qué más hará el detector

La misma distancia de 1.300 kilómetros resuelve el ordenamiento de masas de los neutrinos. Al atravesar la Tierra, la propia materia modifica la oscilación: los electrones de la roca afectan a los neutrinos electrónicos de forma distinta que a los demás tipos. Este efecto de materia crece con la distancia y, a 1.300 kilómetros, es lo bastante intenso para revelar si el tercer estado de masa se sitúa por encima o por debajo de los otros dos, algo que a los experimentos de distancia corta les cuesta resolver.

DUNE también buscará la desintegración del protón, como hace Super-Kamiokande, pero con otra sensibilidad. La imagen de argón es especialmente buena en el canal que implica un kaón, difícil de ver para los detectores de agua. Las dos tecnologías cubren así canales complementarios en lugar de competir por el mismo.

Y será uno de los mejores instrumentos del mundo ante una supernova galáctica. El argón es inusualmente sensible a los neutrinos electrónicos mediante absorción en argón-40, mientras que la mayoría de los grandes detectores responden sobre todo a antineutrinos electrónicos. Durante un colapso de núcleo el estallido más temprano está dominado por neutrinos electrónicos, de modo que DUNE vería los primeros segundos en un canal para el que casi todos los demás detectores son ciegos, complementando lo que registrarían los detectores de neutrinos de supernova en otros lugares.

Unos prototipos llamados ProtoDUNE llevan años funcionando en el CERN, a escala de varios centenares de toneladas, para validar el diseño y el software de reconstrucción antes de construir los módulos completos. Ese enfoque por etapas es la razón de que un proyecto de este tamaño resulte creíble sobre el papel antes de que el detector exista.

Lo que DUNE no resolverá

No medirá la masa absoluta del neutrino. Como todo experimento de oscilación, DUNE es sensible a diferencias entre masas al cuadrado y al ordenamiento de los estados, no a cuánto pesa cada uno. Esa pregunta corresponde a experimentos de medida directa de un diseño completamente distinto.

Tampoco explicará por sí solo la asimetría entre materia y antimateria, ni siquiera si encuentra una fase de violación de CP grande. La violación de CP leptónica es un ingrediente necesario de la clase de explicaciones dominante, no una explicación completa, y conectar ambas exigiría física adicional a energías que ningún acelerador alcanzará.

Y no dice nada sobre si el flujo de neutrinos puede convertirse en potencia utilizable. Conviene repetirlo, porque un detector de este tamaño invita a suponer que las interacciones son abundantes. No lo son. La escala de DUNE existe para compensar lo raramente que interactúan los neutrinos, y el haz es intenso precisamente porque la tasa natural de interacción es despreciable. La investigación neutrinovoltaica plantea otra pregunta, sobre radiación ambiental y fluctuaciones térmicas en la superficie de un material, y DUNE ni la apoya ni la refuta.

Lo que DUNE sí hará es convertir el neutrino de una partícula que detectamos en una partícula que medimos con precisión. Es un cambio de categoría, y es la razón por la que una docena de países acordaron dedicar una década y mucho dinero a vaciar una montaña en Dakota del Sur.

Homestake, por segunda vez

El emplazamiento no es casual. Homestake se eligió en los años sesenta por lo mismo que se usa ahora: es profundo, es estable y la roca superior elimina casi todo el fondo de rayos cósmicos. El tanque de cloro de Davis estaba en el nivel de 4.850 pies; las cavernas de DUNE están en ese mismo nivel, a unos cientos de metros.

El resultado de Davis, un déficit persistente de neutrinos solares, se atribuyó ampliamente a un error de su química o del modelo solar. No era ninguna de las dos cosas. Era el primer indicio de la oscilación, aunque hicieron falta el Observatorio de Neutrinos de Sudbury y Super-Kamiokande para demostrarla, y Davis recibió parte del Nobel de Física de 2002 a los 88 años.

En esa secuencia hay una lección que conviene tener presente. Una anomalía que sobrevive treinta años a los intentos de explicación no es necesariamente un error, pero tampoco es un descubrimiento hasta que un experimento independiente, con sistemáticas distintas, la confirma. La física de neutrinos ha sido inusualmente disciplinada con ese criterio, y la credibilidad del campo descansa en ello.

Para una visión más amplia de cómo se reparten el trabajo los distintos detectores, véase nuestra panorámica de observatorios de neutrinos y las páginas dedicadas a IceCube y Super-Kamiokande.