Cómo un tanque de agua subterráneo podría guardar los secretos del universo
Los neutrinos(se abrirá en una nueva ventana) son partículas elementales fundamentales para la mayoría de los procesos del universo. Se producen en abundancia en las reacciones más importantes del universo, como por ejemplo en la fase de supernova de una estrella moribunda. Dado que la probabilidad de que interactúen con la materia es extremadamente baja, sus propiedades dinámicas no cambian con el tiempo. En consecuencia, ofrecen información valiosa sobre las reacciones más importantes del universo. «Los neutrinos emitidos por todas las supernovas que se han producido a lo largo de la historia del universo —lo que se conoce como el “fondo difuso de neutrinos de supernova”(se abrirá en una nueva ventana) (DSNB)— contienen información inestimable sobre fenómenos como la evolución del espacio-tiempo del universo, la formación estelar, los agujeros negros y otros», explica Luis Labarga Echeverría, coordinador del proyecto SK2HK, financiado en el marco de las acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana).
Contribuyendo a experimentos pioneros sobre interacciones de neutrinos
Debido a la probabilidad extremadamente baja de que se produzcan interacciones de neutrinos en los detectores, el volumen de material ofrecido para la interacción debe ser enorme. Debido al elevado coste que esto supone, se han ideado soluciones ingeniosas, siendo la denominada reacción de Water-Cherenkov la más eficaz. Esta técnica se emplea en el Observatorio Kamioka(se abrirá en una nueva ventana) de Japón mediante el detector de neutrinos subterráneo más grande del mundo, el Super-Kamiokande(se abrirá en una nueva ventana) (SK), un gran tanque (50 000 m3 de volumen) lleno de agua ultrapura. Cuando un neutrino interactúa con el agua, se producen varias partículas, un número significativo de las cuales portan cargas eléctricas. Alrededor de 10 000 sensores de luz ultrasensibles (tubos fotomultiplicadores, o PMT por sus siglas en inglés) ubicados en las paredes del tanque SK detectan la luz emitida por estas partículas cargadas que viajan en el agua. «Reconstruir las características de la partícula, como su lugar de origen, energía, dirección y cualquier proceso de desintegración, nos permite inferir las propiedades de los neutrinos iniciales», explica Echeverría de la Universidad Autónoma de Madrid(se abrirá en una nueva ventana). Esta metodología dio lugar a dos logros importantes: la identificación de los neutrinos procedentes de la supernova SN1987 (lo que supuso la concesión del Premio Nobel de Física en 2002) y el descubrimiento de que los neutrinos sí tienen masa (lo que supuso la concesión de otro Premio Nobel de Física en 2015). Los investigadores de SK2HK, adscritos al SK, participaron en otros experimentos relacionados, contribuyendo finalmente a que el SK observara una clara indicación del DSNB, presentada en la conferencia NEUTRINO 2026, celebrada en la Universidad de California de Irvine, en junio de 2026(se abrirá en una nueva ventana). «Eso realmente abre una nueva era en la física, donde podemos investigar la evolución del universo a través de los neutrinos emitidos por las supernovas que ocurren desde el principio de los tiempos», afirma Echeverría.
Hacia el experimento de neutrinos de próxima generación
Para comprender mejor los neutrinos se necesitarán detectores más grandes, como el Hyper-Kamiokande (HK) que se está construyendo actualmente en el Observatorio de Kamioka, al que ha contribuido el equipo SK2HK. «Su puesta en marcha está prevista para 2028, con un volumen de 260 000 toneladas y 20 000 sensores de luz, y será considerablemente más eficiente», señala Echeverría. El equipo también participó en la investigación y el desarrollo de nuevas técnicas de detección, como el uso de múltiples PMT en vez de un único PMT de 60 cm de diámetro, con 19 PMT pequeños combinados en una carcasa de 60 cm de diámetro. SK2HK también lideró el diseño y la construcción de la carcasa submarina que aloja los sensores PMT para soportar las presiones subacuáticas y evitar un fallo en cadena en caso de que uno de los fotosensores implosione. «La comunidad ya está empezando a pensar en detectores aún más grandes, a mayor profundidad, con muchos más fotosensores, que nos proporcionarán información aún más precisa sobre las variables que podrían explicar cómo evolucionan los neutrinos con el tiempo, y tal vez incluso responder al mayor enigma de todos: si la teoría de la gran unificación es correcta», concluye Echeverría.
