China estrena Juno, el observatorio para dominar la ciencia de neutrinos y la antimateria

Por un lado, están los neutrinos, las partículas más misteriosas y escurridizas jamás estudiadas por la comunidad científica, partículas cuyo tamaño, al parecer, ronda los 6 picómetros. Por otro lado, hay una esfera gigantesca, de 35 metros de diámetro y que contiene más de 20,000 toneladas de líquido. Estudiar los primeros con la segunda es el objetivo científico de JUNO, acrónimo de Jiangmen Underground Neutrino Observatory (Observatorio subterráneo de neutrinos de Jiangmen), el primero de los nuevos experimentos a gran escala para la investigación de los neutrinos, en el que colaboran 700 investigadores de 17 países diferentes.

El aparato experimental está situado a 700 metros de profundidad, cerca de la ciudad china de Jiangmen, y hace unas semanas, con el llenado de la esfera, comenzó oficialmente la recogida de datos. Si todo va según lo previsto, los experimentos se prolongarán durante los próximos treinta años y, cabe esperar, arrojarán luz sobre los muchos puntos aún oscuros relativos a la naturaleza y el comportamiento de los neutrinos, con importantes implicaciones para la física fundamental.

Neutrinos, partículas fantasma

Primero, un poco de historia y contexto. El neutrino es una entidad subatómica de carga eléctrica nula, como su nombre indica, y pertenece a la gran familia de los fermiones (todas las partículas existentes en la naturaleza se clasifican en dos macrofamilias, fermiones y bosones, en función del valor de una de sus propiedades, el espín) y al grupo de los leptones, al que también pertenece, por ejemplo, el electrón. Su existencia fue primero predicha teóricamente y luego confirmada experimentalmente: Wolfgang Pauli, en 1930, y Enrico Fermi, cuatro años más tarde, postularon su existencia para justificar ciertas observaciones experimentales que no podían justificarse de otro modo; apenas dos décadas más tarde la partícula fue realmente observada por los físicos Clyde Cowan y Fred Reines durante una serie de experimentos realizados en el reactor de fisión de Savannah River. Desde entonces, la comunidad de físicos no ha dejado de intentar investigar la naturaleza de los neutrinos, pero, como ya hemos mencionado, aún quedan puntos poco claros. Una de las cuestiones aún abiertas se refiere, en particular, a la masa del neutrino: el valor del peso del neutrino está ligado a modelos cosmológicos fundamentales que intentan describir el comportamiento y la evolución del Universo.

De tres sabores

En realidad, incluso antes de llegar a medir cuánto pesa realmente un neutrino, los científicos tuvieron que resolver otro rompecabezas, a saber, entender si el neutrino tenía un peso. No fue fácil, y de hecho los investigadores que consiguieron responder (positivamente) fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2015: se trata de Takaaki Kajita y Arthur Bruce McDonald, premiados en Estocolmo «por su descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que demostró que los neutrinos tienen masa». Los dos físicos, en concreto, lograron resolver un enigma que llevaba décadas sin resolverse en el campo de la física fundamental, relativo a una discrepancia entre el número de neutrinos medidos en la Tierra y el número predicho por los modelos teóricos, al darse cuenta de que los neutrinos son capaces de cambiar de identidad (o, más exactamente, oscilar), razón por la cual se observan en la Tierra unos dos tercios menos de neutrinos de los predichos, y que, en consecuencia, tienen masa.

Entre otras características, los neutrinos también tienen la capacidad de interactuar muy débilmente con otras partículas, por lo que son capaces de atravesar capas muy densas de materia sin dejar rastro de su paso (precisamente por eso son tan difíciles de observar). Los neutrinos que llegan a la Tierra tienen un origen cósmico: se cree que algunos de ellos se remontan hasta el Big Bang, mientras que otros podrían producirse por reacciones de fusión en estrellas activas o explosiones de supernovas. Y aquí la historia se complica: el Modelo Estándar, la teoría que explica el comportamiento y las interacciones de todas las partículas conocidas, predice que el neutrino no tiene masa y, basándose en ello, estima con precisión cuántos neutrinos producidos en el Sol deberían llegar a la Tierra. La estimación, sin embargo, resultó estar en profundo desacuerdo con los datos experimentales (es el llamado problema del neutrino solar), y para resolver el impasse fue necesario introducir una modificación en el modelo, insertando, precisamente, la posibilidad de que el neutrino oscilara, es decir, cambiara de identidad (o, como dicen los físicos, de sabor), y que cada identidad estuviera asociada a una masa diferente. Pues bien, Kajita y McDonald observaron, en dos experimentos separados e independientes realizados en 2001 y 2006 respectivamente, que los neutrinos solares “con sabor a electrón” oscilan en neutrinos con sabor “mu” y “tau”. Sin embargo, lo que aún se desconoce (volveremos sobre ello dentro de un momento) es cómo se ordenan estas masas, es decir, cuál es la jerarquía de masas de los neutrinos: es el llamado problema de ordenación de masas de neutrinos, y aquí es donde entra JUNO.

JUNO, un experimento único

«El experimento JUNO retoma el legado de sus predecesores, con la diferencia de que es mucho más grande «, explica Gioacchino Ranucci, tecnólogo jefe del INFN, jefe adjunto del experimento y antiguo responsable de Borexino. Solo para dar una idea de la diferencia, considere que Kamland contiene alrededor de mil toneladas de centelleador líquido, y Daya Bay contiene varios cientos [Kamland y Daya Bay son otros dos experimentos, ed.]. JUNO contiene 20,000, y es extremadamente más complejo. Aumentar todo a gran escala no solo significa aumentar el tamaño de los sistemas, sino también hacer frente a considerables complicaciones científicas y tecnológicas». La «receta» del centelleador consiste en utilizar un disolvente y dos compuestos fluorescentes contenidos en una esfera acrílica de 35 metros y medio de diámetro. Guardando esta enorme cantidad de líquido se encuentra una imponente estructura de celosía de acero inoxidable que soporta un vasto conjunto de sensores de luz altamente sensibles llamados tubos fotomultiplicadores, capaces de detectar incluso un solo fotón y convertirlo en una señal eléctrica medible.

Una de las principales características de este experimento, explica Ranucci, es que JUNO puede «ver» tanto neutrinos como su contrapartida de antimateria, los antineutrinos. Los primeros son típicamente de origen cósmico o terrestre, mientras que los segundos son producidos artificialmente, en este caso por dos centrales nucleares situadas cerca del detector. » A medida que se propagan, neutrinos y antineutrinos siguen oscilando, transformándose unos en otros «, prosigue Ranucci, «y JUNO podrá captar todas estas señales, ayudándonos a comprender no si los neutrinos oscilan (ahora lo sabemos con certeza) , sino cómo lo hacen, con una precisión nunca alcanzada hasta ahora».

En concreto, el principal objetivo físico de Juno es encontrar una solución al problema de la ordenación de la masa de los neutrinos. Lo que sabemos por el momento es que el neutrino electrón pesa menos que el neutrino mu (por analogía con el peso de las partículas elementales relacionadas, electrón y muón), pero no sabemos si el tercer neutrino, el tau, pesa más que los otros dos (en cuyo caso hablaríamos de jerarquía directa) o no (en cuyo caso hablaríamos de jerarquía inversa). JUNO abordará este reto midiendo el espectro energético de los antineutrinos procedentes de los reactores con muy alta resolución: las sutiles distorsiones del espectro causadas por la interferencia entre las dos frecuencias de oscilación principales revelarán si la jerarquía es normal o inversa. La colaboración espera alcanzar una significación estadística de 3-4 sigma tras unos seis años de recogida de datos, un nivel que se aproxima al requerido para un descubrimiento establecido.