El 24 de febrero de 1987, desde el observatorio chileno de Las Campanas se detectó un intenso brillo en el cielo. Era una supernova producida por el estallido de una estrella que había agotado su combustible. El cataclismo se había producido a las afueras de la Nebulosa de la Tarántula, en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia enana situada en el vecindario de nuestra Vía Láctea. Este fenómeno, que solo se produce en nuestro entorno galáctico tres o cuatro veces cada siglo, permitió además detectar los primeros neutrinos procedentes de fuera del Sistema Solar. La captura de esos neutrinos extrasolares se produjo en el observatorio japonés Kamiokande. Aunque eran solo 24, proporcionaron gran cantidad de información sobre la supernova e hicieron merecedor del Nobel de física Masatoshi Koshiba.
Los neutrinos son unas partículas sin carga eléctrica que interactúan muy poco con el resto de la materia y pueden viajar por el cosmos sin verse afectados por los campos magnéticos que desvían otro tipo de partículas. Eso hace fácil determinar su origen y les convierte en buenos mensajeros para estudiar violentos fenómenos como las supernovas o los agujeros negros. El observatorio de Kamioka, construido en una mina a un kilómetro bajo tierra a principios de los 80, fue sustituido por una versión mejorada del experimento. Un gran tanque de 45 metros de diámetro por 45 metros metros de altura, lleno con 50.000 toneladas de agua pura, sirvió como trampa para atrapar estas escurridizas partículas.
Ahora, según adelantaba la Agencia Sinc esta semana, los miembros de la colaboración internacional de científicos que trabaja en Super-Kamiokande han desarrollado un sistema de vigilancia para estar listo en caso de que estalle una supernova y poder detectarla. Según explica Luis Labarga, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid y uno de los autores del artículo que explica el plan en la revista Astroparticle Physics, “se trata de un sistema informático que está analizando constantemente los datos que va recogiendo el detector para ver si hay algún tipo de exceso de flujo, de sucesos, que permita obtener una pequeña estimación probabilística de si es o no una supernova”. “La idea es poder saber si ha ocurrido una supernova en las siguientes horas o minutos a que suceda”, añade.
En caso de que la respuesta de esta alerta temprana sea positiva, se enviaría un aviso a observatorios de todo el mundo con las coordenadas del lugar del cielo en el que ha ocurrido para que puedan estudiar el fenómeno. “La ventaja de Super-Kamiokande es que si existe una supernova galáctica lo va a ver siempre porque no está mirando a ningún lado. Los telescopios ópticos, sí”, apunta Labarga. Además, los neutrinos llegan antes que los fotones a la Tierra. Esto sucede por la propia naturaleza fantasmagórica de los neutrinos, que atraviesan con facilidad la materia de la estrella. Mientras tanto, los fotones, las partículas que componen la radiación que vemos en forma de luz o que compone los rayos X, se ven trabados por esta materia y tardan más en salir tras el estallido. Ese retraso hace que lleguen más tarde a la Tierra y den tiempo a que los telescopios ópticos se orienten hacia el lugar donde gracias a los neutrinos se sabe que hubo una explosión.
Cuando estalla una supernova, la mayor parte de la energía que se libera lo hace en forma de neutrinos. Por eso, estudiar estas partículas puede ayudar a entender bien estos fenómenos. Algunos de los objetos que se pueden estudiar mejor gracias a este nuevo tipo de astrofísica son las estrellas de neutrones y los agujeros negros, monstruos de materia superconcentrada que aparecen cuando las estrellas se colapsan bajo su propia gravedad.
Uno de los misterios que han rodeado a la supernova detectada en 1987 procede de la imposibilidad de detectar la estrella de neutrones que debería haber quedado tras el estallido de la estrella original. Algunas hipótesis para explicar la ausencia de esa estrella apuntan a que podría haber acumulado materia suficiente para producir un nuevo colapso y acabar convertida en un agujero negro. Gigantescas trampas para neutrinos como la japonesa de Kamioka pueden ayudar a resolver este y otros enigmas.
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Para responder a preguntas esenciales como por qué existimos o cómo es la naturaleza del universo, hace tiempo que no bastan las cabezas privilegiadas de un puñado de filósofos. En la actualidad, algunas de las máquinas más sofisticadas jamás construidas se dedican a recabar información para poder contestar a estas cuestiones profundas con algo más que especulaciones. El más famoso de estos artefactos es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el acelerador de partículas de 6.000 millones de euros construido junto a Ginebra (Suiza) que capturó el bosón de Higgs, pero existen otros con objetivos igual de ambiciosos.
Desde hace más de dos décadas, los neutrinos se convirtieron en los peculiares mensajeros elegidos por Japón para obtener información sobre algunos de los mayores enigmas del cosmos. Estas partículas no tienen carga eléctrica e interactúan tan poco con el resto de la materia que podrían atravesar un bloque de plomo de más de un año luz de grosor. Con esas características son capaces de viajar grandes distancias sin verse afectados por los campos magnéticos galácticos que desvían a otras partículas cargadas como las que componen los rayos cósmicos. Por eso es más fácil determinar su origen y ya se consideran una herramienta útil para estudiar monstruos espaciales como las supernovas o los agujeros negros. Pero esa es solo una de las posibilidades que ofrecen los neutrinos, unos fantasmas subatómicos que desde hace décadas han proporcionado resultados asombrosos.
A principios de los 80, en la mina de Kamioka, a un kilómetro bajo Tierra, se construyó el Observatorio Subterráneo de Kamioka. El primer gran experimento que se instaló allí no buscaba neutrinos. Protegido por metros de roca que filtran los rayos cósmicos que constantemente bombardean la Tierra y provocan interferencias en los detectores más sensibles, esta construcción buscaba observar algo nunca visto: la desintegración de un protón, una de las partículas fundamentales que componen toda la materia que nos rodea. La materia es estable, en parte, porque los protones son estables, pero se cree que esto no ha sido así siempre. Observar a un protón desintegrándose sería como viajar a un tiempo antiquísimo, cuando el universo aún estaba muy caliente, y sería la prueba de que, a muy altas energías, las tres interacciones fundamentales que ahora se conocen (nuclear débil, responsable de la radiactividad, nuclear fuerte, que mantiene los núcleos atómicos unidos, y electromagnética) serían una sola.
La tarea no era sencilla. Un protón tiene una vida media mayor de 1034 años y ponerse a vigilar a uno solo esperando que se desintegre era una tarea demencial. Para incrementar la probabilidad de capturar este extraño fenómeno sin tener que esperar hasta el fin de los tiempos, era necesario reunir una cantidad ingente de protones. La forma más fácil y barata de lograrlo era construir un gran tanque de agua, que, como toda la materia, está compuesta por un montón de protones, y colocar a su alrededor detectores de luz que pudiesen recoger la desintegración. Ese proyecto fue bautizado como KamiokaNDE.
El filtro de roca que cubría la mina de Kamioka protegió el experimento de los rayos cósmicos, pero tenía poco que hacer frente a los fantasmagóricos neutrinos, y estas partículas imparables se colaron en KamiokaNDE. Sin embargo, en lugar de malograr sus resultados, les dieron un nuevo sentido. El proyecto nunca logró detectar la desintegración de un protón, pero obtuvo un resultado fascinante. “En 1987, se produjo una supernova en la Nube de Magallanes, una galaxia vecina a la nuestra relativamente cercana a la Tierra”, explica Luis Labarga, director del departamento de física teórica de la UAM y especialista en neutrinos. “Los detectores de KamiokaNDE observaron un flujo de neutrinos claramente fuera de lo normal y al analizar la procedencia de estas partículas entrantes vieron que llegaban desde la Nube de Magallanes, donde se había visto la supernova”, continúa Labarga.
Hasta hace muy poco, aquellos habían sido los primeros neutrinos originados fuera del Sistema Solar observados en la Tierra. Fue el descubrimiento de una nueva herramienta para estudiar algunos de los fenómenos más violentos del universo y por este hallazgo Masatoshi Koshiba, director de los experimentos en Kamioka, recibió el Nobel de Física en 2002.
Después de aquel éxito, la apuesta japonesa por aquel observatorio se incrementó. En los 90 se construyó un nuevo detector, Super Kamiokande, que trataría de comprobar si los neutrinos oscilan y cambian de sabor cuando viajan a través del espacio. Este fenómeno explicaría una discrepancia entre los neutrinos que se calculaba que debían producirse en el sol y los que llegaban a la Tierra y permitiría concluir que, frente a lo que se pensaba hasta entonces, los neutrinos tienen masa. Para llevar a cabo este experimento, se construyó un tanque descomunal, de 45 metros de diámetro por 45 metros de altura, que se llenó con 50.000 toneladas de agua pura. Como en el caso anterior, Super Kamiokande cumplió su objetivo y ahora se conoce que los neutrinos tienen masa, otro triunfo que podría llegar a merecer un Nobel.
A finales de enero, se ha anunciado un nuevo reto para la física de partículas. Un grupo internacional de científicos de 13 países, entre los que se encuentra Luis Labarga como líder del proyecto en España, quiere poner en marcha Hyper Kamiokande. Este proyecto, que tiene un presupuesto estimado de alrededor de 800 millones de dólares, supone construir un observatorio 20 veces mayor que Super Kamiokande, con un millón de toneladas de agua. A su alrededor, se colocarán 100.000 receptores de luz ultrasensibles, un 50% más que los del observatorio anterior. Toda esta tecnología servirá, en parte, para volver a intentar un logro que no fue posible hace casi tres décadas: detectar la desintegración de un protón.
"Más importante que el higgs"
“La comunidad científica se ha olvidado un poco de la desintegración del protón, pero en el momento en que se descubra, se revolucionará
la física porque eso significaría que a altas energías se unifican todas las fuerzas”, plantea Labarga. “Lo que se recoge en el Modelo Estándar [el marco que mejor sirve para explicar el funcionamiento de la materia hasta ahora] es una degeneración de una interacción fundamental a alta energía”, añade. “La observación de la desintegración del protón sería más importante que la observación del bosón de Higgs”, sugiere. Además de permitir echar un vistazo al universo en su origen, esta observación ofrecerá una idea sobre cómo será su final. Con los ladrillos básicos que componen la materia desintegrándose en positrones y rayos gamma, la radiación acabaría haciéndose con el cosmos.
Este epílogo radiactivo sería, de alguna manera, el final diferido de algo que pudo haber sucedido mucho antes. Según las teorías físicas más aceptadas, después del Big Bang se creó una cantidad idéntica de materia y de antimateria. Cada vez que una partícula de un bando entraba en contacto con una del otro, ambas se desintegraban en un gran estallido que solo dejaba tras de sí radiación. Sin embargo, como resulta evidente hoy, en los primeros instantes de existencia del universo, se produjo un pequeño desequilibrio que acabó dando una victoria casi absoluta a la materia.
Una de las maneras en que se puede estudiar la rotura de este equilibrio, conocido como CP, es midiendo aspectos muy precisos de las oscilaciones de los neutrinos. Para detectar esas interacciones, se lanzaría un rayo de estas partículas de alta intensidad desde el acelerador J-PARC, a 300 kilómetros de distancia de Kamioka, que se analizaría a su llegada en el gigantesco detector de Hyper Kamiokande. “Esa violación de CP es esencial para entender la asimetría que hoy vemos que existe entre materia y antimateria”, apunta Labarga.
Para aspirar a resolver estos enigmas, los científicos japoneses y los del resto de países implicados en el proyecto deberán utilizar todos sus encantos para convencer a sus gobiernos de que la búsqueda merece los cientos de millones que tratan de reunir. El pasado 31 de diciembre, en la ciudad de Kashiwa, se produjo la primera reunión para empezar con el trabajo, que se prolongará durante los próximos tres años. Si tienen éxito, en 2025 Hyper Kamiokande podrá empezar a recabar información con la que entender un poco mejor el universo en que vivimos.
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