Observatorios de neutrinos: cómo se cazan las partículas más esquivas

Qué es un observatorio de neutrinos

Un observatorio de neutrinos es una instalación científica diseñada para detectar los neutrinos, partículas eléctricamente neutras y de masa diminuta que apenas interaccionan con la materia. Como no tienen carga y sienten solo la fuerza nuclear débil y la gravedad, un neutrino puede atravesar años luz de plomo sin chocar. Por eso no se "ven" directamente: lo que registran los detectores es la señal secundaria que deja el rarísimo neutrino que sí interacciona con un núcleo o un electrón del material.

La estrategia común a todos ellos es sencilla de enunciar y monstruosa de construir: acumular una masa enorme de un blanco transparente - agua, hielo, argón líquido o líquido centelleador - y rodearla de sensores de luz ultrasensibles. Cuanta más masa y más tiempo de exposición, más interacciones se capturan. Un observatorio de neutrinos no es un telescopio que apunta, sino un volumen instrumentado que espera, a menudo durante años, a que la naturaleza le regale unos pocos sucesos limpios.

Estos observatorios cumplen dos misiones. Como experimentos de física de partículas, miden las propiedades del propio neutrino: sus masas, sus mezclas, su oscilación entre sabores. Como telescopios, usan el neutrino como mensajero para estudiar el Sol, las supernovas, el interior de la Tierra y las fuentes cósmicas más violentas del universo.

Por qué se esconden bajo tierra, hielo y mar

El gran enemigo de un detector de neutrinos es el ruido de fondo, y sobre todo los muones producidos por los rayos cósmicos en la atmósfera. Estos muones llegan a la superficie por millones y pueden imitar la señal de un neutrino. La solución es poner encima una barrera natural gigantesca que los frene: roca, agua o hielo.

Por eso los observatorios se instalan en minas profundas, túneles bajo montañas o en el hielo polar. Super-Kamiokande está a unos 1.000 metros bajo la roca de la mina de Kamioka (Japón); el SNO se excavó a unos 2 kilómetros de profundidad en Ontario; el laboratorio del Gran Sasso, en Italia, tiene alrededor de 1.400 metros de roca dolomítica encima. IceCube aprovecha entre 1,5 y 2,5 kilómetros de hielo antártico como blindaje y como blanco a la vez.

La profundidad reduce el flujo de muones en varios órdenes de magnitud. Aun así, ningún blindaje detiene a los propios neutrinos, así que el fondo residual se combate además con materiales de radiopureza extrema y con la geometría del detector, que permite reconstruir de dónde vino cada suceso y descartar lo que entra desde arriba.

Las cuatro grandes tecnologías de detección

Aunque cada observatorio parezca único, casi todos se basan en una de cuatro técnicas para hacer visible al neutrino. Puedes profundizar en el panorama general en cómo se detectan los neutrinos.

• Cherenkov de agua o hielo: cuando la partícula cargada que produce el neutrino se mueve más rápido que la luz en ese medio, emite un cono de luz azulada, la radiación de Cherenkov. Miles de fotomultiplicadores registran el anillo de luz y reconstruyen la dirección y la energía. Es la técnica de Super-Kamiokande e IceCube.
• Centelleo: en un líquido centelleador, la interacción excita las moléculas, que emiten un breve destello de luz. El centelleador es muy sensible a energías bajas, ideal para neutrinos solares y de reactor. Lo usan Borexino, KamLAND y JUNO.
• Radioquímica: el método pionero. Un neutrino transforma un núcleo (cloro en argón, o galio en germanio) mediante una reacción tipo desintegración beta inversa; luego se cuentan químicamente los pocos átomos producidos. Así trabajaron el experimento de cloro de Homestake - dirigido por Raymond Davis Jr. sobre el modelo solar de John Bahcall - , GALLEX y SAGE.
• TPC de argón líquido: una cámara de proyección temporal llena de argón líquido fotografía en 3D las trazas ionizadas con resolución milimétrica. Es la apuesta de DUNE y la que ofrece las imágenes más detalladas de cada suceso.

Super-Kamiokande y el futuro Hyper-Kamiokande

Super-Kamiokande, operativo desde 1996, es un tanque cilíndrico con 50.000 toneladas de agua ultrapura vigilado por más de 11.000 fotomultiplicadores gigantes en la mina de Kamioka. En 1998, la colaboración, con Takaaki Kajita como figura destacada, anunció la primera prueba sólida de la oscilación de los neutrinos atmosféricos: los neutrinos cambiaban de sabor en su viaje, lo que implicaba que tienen masa. Ese hallazgo le valió a Kajita el Premio Nobel de Física de 2015, compartido con Arthur McDonald.

El detector sigue en activo como blanco del haz del experimento T2K y como vigía de posibles supernovas galácticas. Su sucesor, Hyper-Kamiokande, está en construcción cerca de Kamioka con un tanque de unas 260.000 toneladas de agua - más de cinco veces mayor - y se espera que empiece a tomar datos hacia 2027. Buscará la violación de simetría CP en los neutrinos, una posible pista sobre por qué el universo tiene materia y casi nada de antimateria.

SNO, IceCube y KM3NeT: del agua pesada al hielo y al mar

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), en Canadá, empleó 1.000 toneladas de agua pesada a unos 2 kilómetros bajo tierra. Entre 2001 y 2002 resolvió el viejo "problema de los neutrinos solares": el Sol emitía tantos neutrinos como predecía la teoría, pero muchos habían cambiado de sabor en el camino. Ese resultado, liderado por Arthur McDonald, cerró el círculo con Super-Kamiokande. Hoy la instalación es SNOLAB, un laboratorio subterráneo de vanguardia.

IceCube, terminado en 2010 en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur, convierte un kilómetro cúbico de hielo antártico en detector: 5.160 módulos ópticos digitales cuelgan de 86 cables a entre 1.450 y 2.450 metros de profundidad. En 2013 detectó los primeros neutrinos astrofísicos de altísima energía, y en 2017 asoció uno de ellos al blazar TXS 0506+056, inaugurando la astronomía multimensajera con neutrinos.

En el Mediterráneo, KM3NeT está desplegando dos detectores submarinos de tipo Cherenkov: ARCA, frente a Sicilia, para neutrinos cósmicos de alta energía, y ORCA, frente a Tolón (Francia), optimizado para estudiar la jerarquía de masas con neutrinos atmosféricos. Juntos convierten el agua del mar en un observatorio de neutrinos de escala kilométrica.

DUNE y el programa de línea de base larga

El Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) es el gran proyecto en construcción en Estados Unidos. Un haz intensísimo de neutrinos generado en el Fermilab, cerca de Chicago, viajará unos 1.300 kilómetros a través de la corteza terrestre hasta el Sanford Underground Research Facility, en una antigua mina de oro de Dakota del Sur. Allí, módulos con decenas de miles de toneladas de argón líquido reconstruirán cada interacción en tres dimensiones.

El objetivo es medir con precisión cómo oscilan neutrinos y antineutrinos a lo largo de esa "línea de base larga" para determinar el orden de las masas y buscar la violación de CP. DUNE también estará atento a los neutrinos de una eventual supernova en nuestra galaxia y a la hipotética desintegración del protón. Su puesta en marcha está prevista hacia finales de esta década, y hereda la técnica de cámara de argón líquido que Carlo Rubbia impulsó con ICARUS.

Borexino, KamLAND y JUNO: la precisión del centelleador

No todos los observatorios persiguen las energías más altas. Borexino, en el Gran Sasso, operó de 2007 a 2021 con un líquido centelleador de radiopureza récord y midió por primera vez, de forma directa, los neutrinos de baja energía de las distintas cadenas de fusión del Sol, incluidos en 2020 los del ciclo CNO. KamLAND, en Kamioka, detectó en 2002 la desaparición de antineutrinos procedentes de reactores nucleares japoneses, confirmando la oscilación con una fuente terrestre, y en 2005 aportó la primera detección de geoneutrinos procedentes del interior de la Tierra.

El relevo lo toma JUNO, el Jiangmen Underground Neutrino Observatory, en el sur de China: unas 20.000 toneladas de centelleador en una esfera vigilada por decenas de miles de fotomultiplicadores. Situado a unos 50 kilómetros de dos centrales nucleares, su meta principal es determinar el orden de las masas de los neutrinos midiendo con exquisita resolución el espectro de los antineutrinos de reactor.

De la detección al aprovechamiento de la energía ambiental

Los observatorios de neutrinos demuestran algo que hace décadas parecía imposible: que un flujo de partículas prácticamente inmateriales puede medirse y estudiarse con instrumentos reales. Un hito de esta física fue confirmar que los neutrinos tienen masa (Premio Nobel de 2015) y, en 2017, la primera observación por la colaboración COHERENT de la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo (CEvNS), un proceso predicho en 1974 en el que el neutrino cede a un núcleo un retroceso diminuto pero medible. Desde entonces, ese canal se ha corroborado con otros blancos, como el germanio, y con antineutrinos de reactor.

Que el neutrino transfiera un retroceso medible a la materia es lo que motiva líneas de investigación aún en desarrollo, como la del Neutrino Energy Group (Berlín, fundado en 2008 por Holger Thorsten Schubart). Su concepto neutrinovoltaico investiga si materiales multicapa de grafeno y silicio podrían generar una pequeña corriente eléctrica a partir del flujo ambiental que nos rodea - no solo neutrinos, sino también radiación térmica y campos electromagnéticos - . Conviene subrayarlo con claridad: se trata de investigación en curso, no de un producto probado ni comercial, y nada de esto implica "energía gratis" ni ilimitada. Los grandes observatorios y el aprovechamiento de la energía ambiental comparten un mismo punto de partida: hacer medible lo que atraviesa la materia.