Ciencia bajo tierra Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Los científicos buscan bajo tierra partículas difíciles de detectar que viajan por el universo.

La supernova 1987A,
ilustración de un artista

Imagen cortesía de UCL
Mathematical and Physical
Sciences; fuente de la imagen:
Flickr

Imagina que estás en una calle ruidosa y llena de gente, en el corazón de una gran ciudad. A lo alto, un pájaro pía, pero ¿podrías escucharlo? Probablemente no; sería difícil distinguir el canto del pájaro de los sonidos a tu alrededor (automóviles, máquinas, voces, etc.). Los científicos tienen un problema similar cuando tratan de detectar partículas del espacio que han viajado a la Tierra: las señales débiles de estas astropartículas están completamente ocultas por señales más fuertes que provienen de otras fuentes, como la radiactividad ambiental.

Uno esperaría que una buena manera de solucionar este problema fuera ubicar los detectores de astropartículas a una altura elevada, pero, de hecho, hacer lo opuesto también puede ser muy efectivo: el mejor lugar para detectar algunas astropartículas en realidad es a gran profundidad bajo tierra. Esto se debe a que los cientos de metros de roca que están arriba ayudan a mitigar el “ruido” no deseado de la superficie de la Tierra.

Pero, por cierto, ¿por qué los científicos están interesados en las astropartículas? Estas partículas elementales de origen astronómico se producen en las estrellas (como el Sol), en explosiones de supernova e incluso en fenómenos aún más exóticos como las explosiones de rayos gamma. Los mensajeros del universo, como con frecuencia se llama a las astropartículas, brindan información sobre acontecimientos que ocurren a una gran distancia en tiempo y espacio, incluso sobre el Big Bang.

El trabajo subterráneo

Hay alrededor de 100 laboratorios subterráneos en el mundo, y todos se dedican principalmente a buscar astropartículas (Bettini, 2012). Trabajar en una instalación de este tipo no es fácil. Para acceder a los laboratorios ubicados en las minas, es necesario realizar un viaje en un montacargas y ajustar el traslado a los turnos de los mineros, por lo que el trabajo debe programarse con mucho cuidado. En las áreas limpias, la humedad y la temperatura están muy controladas, y los trabajadores deben ducharse y cambiar su ropa antes de ingresar. Y, por supuesto, no hay ventanas que dejen pasar la luz del sol.

Los laboratorios subterráneos del mundo

Este mapa muestra la ubicación de algunas de las instalaciones subterráneas más importantes del mundo. También hay instalaciones subterráneas similares en Finlandia, Japón, Rusia, Ucrania y Estados Unidos, y hay planes para construir nuevas instalaciones en Australia, India y Sudamérica.

  • El Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), el laboratorio subterráneo más grande del mundo, está ubicado en el túnel de una autopista a 120 km de Roma (Italia).
  • Otros tres laboratorios subterráneos de tamaño mediano han estado en funcionamiento en Europa desde la década de 1980: el Laboratorio Boulby en la costa noreste de Inglaterra (Reino Unido), el Laboratorio Modane en los Alpes franceses y el Laboratorio Canfranc bajo el Pirineo español.
  • La Sanford Underground Research Facility se construyó en lo que anteriormente fue una mina de oro en Dakota del Sur (Estados Unidos). Este pionero laboratorio subterráneo fue donde se realizaron los primeros estudios de neutrinos solares en la década de 1960 (Rosen, 2006).
  • El SNOLAB (Sudbury Neutrino Observatory), cerca de Sudbury en Ontario (Canadá), está ubicado en una mina de níquel en funcionamiento. El laboratorio es uno de los más profundos del mundo; se encuentra a 2100 m bajo tierra.
  • El Laboratorio JinPing está ubicado en los túneles de una empresa de energía hidroeléctrica en la provincia de Sichuan (China). Está a 2400 m bajo la montaña JinPing y tiene el récord mundial de profundidad debajo de la superficie terrestre.
  • El Laboratorio Kamioka en Kamioka-cho, Gifu (Japón) tiene el detector de neutrinos subterráneo más grande del mundo. Durante las últimas dos décadas, en este laboratorio se han llevado a cabo revolucionarios experimentos con neutrinos.
     

    Imagen cortesía de Susana Cebrián

La búsqueda de partículas esquivas

En la actualidad, muchos laboratorios subterráneos buscan un tipo de materia muy esquiva: partículas de neutrinos y materia oscura. Aunque ambas son abundantes en el universo, tienen interacciones tan débiles con la materia “normal” que son imposibles de detectar en el mundo exterior, y rara vez se pueden detectar bajo tierra.

Los neutrinos: unas partículas muy importantes

El neutrino es la segunda partícula más numerosa del universo (después de los fotones, las partículas de luz). En un segundo, 1011 neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre, y la mayoría proviene del Sol.

Un total de 9522 sensores de
luz ultrasensible están
sujetos a la esfera del
detector de neutrinos de
SNOLAB
.
Imagen cortesía de Lawrence
Berkeley Nat’l Lab – Roy
Kaltschmidt; fuente de la
imagen: Flickr

Los neutrinos se producen en las estrellas y dentro de los reactores nucleares, y además se encuentran en los rayos cósmicos. Estas partículas, a veces llamadas partículas fantasma, rara vez interactúan con la materia y sencillamente pasan de largo, por lo que, a pesar de ser tan numerosas, detectarlas es un gran reto. Por ejemplo, solo se esperan unas pocas detecciones de neutrinos por mes, incluso con detectores enormes. Sin embargo, los neutrinos pueden ser mensajeros muy importantes, porque viajan libremente por el universo y pueden atravesar sitios de los que ninguna otra partícula puede escapar, como los agujeros negros, que atrapan incluso a la luz. Al viajar de esta manera, llevan consigo información valiosa.

En 1987, en algunos observatorios subterráneos los científicos se sorprendieron al registrar varios neutrinos en tan solo unos pocos segundos; habían sido testigos de una señal de neutrinos de la supernova 1987A, en la Gran Nube de Magallanes (Nakahata, 2007). Como se piensa que el 99 % de la energía que libera una supernova se emite en forma de neutrinos, su detección proporcionó mucha información sobre lo que realmente sucede cuando una estrella colapsa. También se han detectado neutrinos producidos por la desintegración radiactiva beta dentro de la Tierra; estos geoneutrinos podrían convertirse en una herramienta invaluable para los geofísicos (Bellini et al., 2011), ya que brindan información sobre el tamaño y la ubicación de las fuentes radiactivas en el interior de la Tierra, donde es completamente imposible acceder.

Los neutrinos solares han desconcertado a los científicos durante varias décadas. El número de neutrinos detectados en total era mucho menor de lo que los científicos esperaban que el Sol produjera, según cálculos detallados de procesos de fusión nuclear. El problema se resolvió en 2001, cuando se descubrió que los neutrinos, de los que hay tres tipos o “sabores”, pueden pasar de un tipo a otro en un proceso denominado oscilación de neutrinos (Jelley & Poon, 2007). Es como si le arrojaras una manzana a alguien, que cuando la atrapa ve que es una naranja o una pera. El desconcierto se originó porque los primeros experimentos medían solo un tipo de neutrinos (las “manzanas”), el tipo en el que se producen los neutrinos solares, pero no se detectaban los neutrinos que cambiaban a otro tipo.

Este efecto también se ha observado en neutrinos de otras fuentes, como los rayos cósmicos, los reactores nucleares y las instalaciones de investigación. En 2015, se entregó el Premio Nobel de Física w1 a Takaaki Kajita y Arthur McDonald por su trabajo sobre las oscilaciones de neutrinos en el Laboratorio Kamioka (Japón) y el SNOLAB (Canadá).

Las oscilaciones de neutrino son importantes por otra razón: confirman que los neutrinos tienen masa. Esto se debe a que, según la mecánica cuántica, estas oscilaciones solo ocurren si las partículas tienen una masa mayor a cero. Observar este efecto en los neutrinos fue la primera prueba de una falla en el modelo estándar de la física de partículas.

El misterio de la materia oscura

A pesar de haber alcanzado logros impresionantes recientemente en los campos de la cosmología, astrofísica y física de partículas, la composición de la mayor parte del universo sigue siendo un misterio. Se piensa que una cuarta parte del universo está compuesta de “materia oscura”, así llamada porque no emite ni absorbe radiación electromagnética (por ejemplo, luz, ondas de radio y rayos X). Es por esto que la materia oscura todavía no se ha detectado, a pesar de la enorme cantidad que se cree que existe. Se estima que las interacciones de la materia oscura son muy poco comunes: solo unos pocos eventos por año en un detector subterráneo muy grande. Han habido indicios positivos, como los que observó el experimento DAMA/LIBRA en el Laboratorio Gran Sasso, pero no se ha realizado ninguna detección todavía, así que continuamos investigando (Reich, 2013; Livio & Silk, 2014).

La sala C del Laboratorio Nacional Gran Sasso (Italia) con el experimento OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) instalado
Imagen de Francesco Arneodo

La ciencia en el mundo subterráneo

Los laboratorios subterráneos se dedican sobre todo a la astrofísica de partículas, pero sus características únicas hacen que además se usen cada vez más para otras áreas de la ciencia. Los biólogos los usan para investigar cómo los microorganismos sobreviven bajo tierra en condiciones extremas. Además, actualmente se llevan a cabo mediciones de precisión a largo plazo para la sismología, la hidrología y la geodinámica. Incluso, bajo tierra se prueba la tecnología espacial desarrollada para la exploración de Marte, en el Laboratorio Boulby (Reino Unido), donde se aprovechan las similitudes entre el medio bajo la superficie de Marte y el de las profundas cavernas de sal gema de la mina Boulby. Mientras el silencio cósmico subterráneo nos ayuda a comprender mejor las características del universo (su origen, composición y destino final), estos laboratorios especiales nos permiten estudiar de cerca otros mundos que se hallan en las profundidades subterráneas.

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Author(s)

Susana Cebrián es profesora en la Universidad de Zaragoza (España), y trabaja con varios experimentos en el campo de la física de astropartículas en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en España.


Review

Este artículo constituye una lectura imprescindible, ya que describe en detalle las propiedades de los neutrinos y la valiosa información que obtienen los científicos al estudiar estas partículas en sitios subterráneos. El artículo destaca que todavía hay mucho que descubrir en la física de partículas.

Con este artículo, se puede realizar un  ejercicio de comprensión sobre algunas de las propiedades de los neutrinos y sobre lo que se puede aprender sobre el universo gracias al estudio de los neutrinos. También puede utilizarse como artículo introductorio para despertar la curiosidad tanto de educadores como de estudiantes, y para dar lugar a una investigación más profunda sobre el tema.

Se podría realizar preguntas como las siguientes:

  • ¿Qué información hay disponible en la actualidad sobre las propiedades de los neutrinos?
  • ¿Por qué se investiga a los neutrinos en laboratorios subterráneos?
  • ¿Dónde y cómo se producen los neutrinos?
  • ¿Cuáles son los tres tipos de neutrinos, y qué características interesantes tienen?

Catherine Cutajar, St Martin’s College, Malta




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