El CERN presenta el prototipo del mayor detector de neutrinos, las ‘partículas fantasma’ que abrirán una ventana a la nueva física

“La Física está en una situación única, como nunca antes”, afirma Marzio Nessi, del CERN. “Sin duda tiene que haber una nueva física, pero o bien hace falta más trabajo y más estadística para verla, o bien no aparece a las energías que alcanzamos hoy [en el gran acelerador de partículas del CERN, el LHC]”. Nessi se refiere a que, después del gran hallazgo del bosón de Higgs, no han llegado más resultados experimentales que resuelvan grandes cuestiones abiertas. Él pronostica que una de las próximas fuentes de noticias rompedoras serán los neutrinos, las llamadas partículas fantasma del universo: “Los neutrinos abren una ventana a la nueva física”, afirma. Nessi, que lidera la construcción en el CERN de ProtoDUNE, el prototipo del mayor detector de neutrinos en proyecto (DUNE), habló de ello en su conferencia el 8 de octubre en la Fundación BBVA, en Madrid, dentro del ciclo sobre física de partículas del CERN y la Fundación BBVA.

Marzio Nessi dirige la Plataforma de Neutrinos del CERN, que constituye la principal contribución de esta institución al programa de investigación de neutrinos a nivel mundial. Antes fue uno de los responsables del experimento ATLAS del LHC, que tuvo un papel protagonista en la detección del bosón de Higgs en 2012, y por supuesto Nessi recuerda muy bien ese momento: “Tengo que decir que al principio no todos estábamos convencidos de que el Higgs existiera realmente, de que no era el artefacto de una determinada escuela de pensamiento. Así que para muchos de nosotros su existencia fue realmente una sorpresa, incluso a pesar de que el detector fue construido y afinado para poner a prueba esa hipótesis”.

Desde ese hito los físicos han escudriñado los datos del LHC en busca de indicios de partículas supersimétricas, que pudieran dar respuesta a, por ejemplo, qué es la materia oscura. Pero de momento, no han logrado detectarlas. “Encontramos el Higgs. La siguiente expectativa es encontrar un nuevo nivel de simetría (supersimetría) que podría resolver muchos de los problemas abiertos, incluida la materia oscura, y que introduciría nueva física fundamental en el esquema. Pero por el momento no se ha observado SuperSimetría. (…) La comunidad está por ello en una situación muy nueva. Hablamos de desconocidos desconocidos, queriendo decir que no sabemos qué esperar de la teoría, a qué desconocidos hacer frente. Sin duda existe una nueva física en alguna parte, el modelo estándar tiene un montón de problemas y no puede explicar lo que vemos en la naturaleza, o lo que creemos ver. Tal vez necesitemos una nueva manera de pensar, y un nuevo tipo de experimentos que indiquen en qué dirección debemos ir”.

Uno de esos nuevos experimentos podrían ser los futuros grandes detectores de neutrinos. Están convencidos de ello los más de 1.000 científicos e ingenieros de 32 países de todo el mundo que participan en DUNE, el mayor experimento de neutrinos actualmente en construcción, con gigantescos detectores subterráneos en Dakota del Sur (EEUU) que deberán empezar a funcionar en 2026. Para probar que la tecnología en que se basa DUNE efectivamente funciona, en el CERN, cerca de Ginebra, se construyen desde hace dos años dos prototipos ProtoDUNE. Hace unas semanas el CERN anunció que el primero de ellos ha detectado ya los primeros neutrinos: “Nuestro primer detector [de ProtoDUNE] está ya tomando datos preciosos, y el segundo, que usa una tecnología diferente, estará online dentro de unos pocos meses”, declaró Nessi.

Entrevista con Marzio Nessi

Más allá del Modelo Estándar

Los ProtoDUNE ocupan lo que un edificio de tres plantas, y el DUNE definitivo será 20 veces mayor. Dimensiones que en este caso se corresponden muy directamente con la importancia de sus potenciales hallazgos: “Los neutrinos son de las partículas más abundantes del universo, pero sabemos muy poco sobre ellas”, señala Nessi. Lo que se sabe, sin embargo, es un incentivo para querer averiguar mucho más.

Los neutrinos han sido apodados las ‘partículas fantasma’ del universo porque apenas interaccionan con la materia. Eso significa que trillones de neutrinos atraviesan la Tierra, y a nosotros mismos, cada segundo, sin dejar casi huella. Sobre ese casi se fundamentan los experimentos para cazar neutrinos: muy esporádicamente un neutrino golpea algún átomo, y produce partículas que los detectores sí pueden observar. Así se descubrió en el año 2000 que los neutrinos sí tienen masa, al contrario de lo que predice la teoría. Ese hallazgo, recompensado con el Nobel de Física en 2015, abrió todo un abanico de nuevas preguntas, y también de posibilidades.

Entre las preguntas: ¿Cuánta masa exactamente tienen los neutrinos? ¿Se puede atribuir a los neutrinos al menos una parte de la materia oscura, un tipo de materia aún desconocida que sin embargo se sabe que existe? Y entre las posibilidades: la masa de los neutrinos podría ser explicada con una teoría que, a su vez, da una posible respuesta a por qué en el universo hay más materia que antimateria.

El modelo estándar, que encaja con todas las detecciones de partículas elementales hasta ahora -incluido el Higgs-, predice que en el origen del universo se formó tanta materia como antimateria. Si las cantidades de una y otra se hubieran mantenido equilibradas el universo sería hoy solo energía, puesto que materia y antimateria se aniquilan entre sí. Pero ahora hay mucha más materia que antimateria. ¿Qué proceso lo explica? Una hipótesis es que en el universo primordial había neutrinos mucho más masivos que los actuales, y que su progresiva conversión en las partículas que hoy detectamos fue lo que rompió el equilibrio materia/antimateria.

“Sabemos que los neutrinos oscilan entre al menos tres estados diferentes; esto implica que tienen masa, aunque sea pequeña”, explica Nessi. “Esto contradice las predicciones del modelo estándar. Por el momento no somos capaces de medir esta masa. Los últimos años hemos logrado parametrizar el comportamiento oscilatorio, estableciendo una serie de parámetros con buena precisión. Pero necesitamos medir más parámetros, en especial algunos que contienen nueva información sobre el comportamiento fundamental de la naturaleza. Por ejemplo, acerca de la evidente asimetría entre materia y antimateria. Esta es nuestra nueva ventana hacia una nueva física, más allá del Modelo Estándar”.

Un inmenso reto tecnológico

Además, los neutrinos completan muchos otros rompecabezas astrofísicos, como el funcionamiento de las estrellas: “Muchos procesos en el universo están impulsados por los neutrinos”, prosigue Nessi. “La mayor parte de la energía durante la explosión de una supernova, por ejemplo, se dirige a la producción de grandes cantidades de neutrinos. Por eso, comprender el comportamiento de estas partículas abrirá nuevos horizontes a la comprensión de la dinámica de las estrellas”.

Para conocer los neutrinos en profundidad y poder extraerles la información deseada es necesario cazar muchos más de los medidos hasta ahora. Es el reto tecnológico al que se enfrentan, para empezar los ProtoDune, en el CERN: “Los detectores de neutrinos son muy especiales”, señala Nessi. “Se requieren grandes dimensiones y tener en cuento un montón de detalles. Por ejemplo estos días estamos trabajando con detectores basados en argón líquido (criogénico) para el futuro experimento DUNE. Para ello tenemos que manejar cantidades ingentes de un fluido criogénico a alto grado de pureza, algo nunca hecho antes, y detectores que operan por completo en un ambiente criogénico -incluyendo la electrónica-. Todo esto es nuevo, y debe ser demostrado a escala lo bastante grande como para hacerlo creíble. Nuestros prototipos tienen del orden de 1.000 toneladas de líquido. Esto debería bastar como demostración de detectores que serán 20 veces mayores. Un montón de detalles, un montón de tecnologías que tener en cuenta. Pero ¡funciona!”.

Ha llevado dos años construir los dos primeros detectores de ProtoDUNE y ocho semanas llenarlos de argón líquido, que necesita mantenerse a temperaturas inferiores a -184 grados centígrados. Los detectores registran en ese argón trazas de partículas procedentes tanto de fuentes astronómicas como de los haces generados en el complejo de aceleradores del CERN. Funcionan así: algunos neutrinos, a su paso, chocan con los núcleos de argón y producen partículas cargadas, que dejan trazas de iones en el líquido; estas trazas son visibles para los detectores, e incluso se puede crear imágenes en tres dimensiones del proceso. Ahora que se han visto las primeras trazas, los científicos operarán el detector los próximos meses para probar la tecnología.

En 2013 la estrategia Europea para la Física de Altas Energías asignó al CERN la tarea de ayudar a los grupos europeos de física de neutrinos a participar en los programas estadounidense y japonés, y surgió así la Plataforma de Neutrinos del CERN, que “debe ser vista como una herramienta para explorar nuevas formas de construir detectores y tener un impacto” en la colaboración internacional, explica Nessi.

El CERN y la Fundación BBVA

El CERN y la Fundación BBVA iniciaron su colaboración en 2014, cuando el organismo científico supranacional decidió celebrar en España el 60 aniversario de su creación en colaboración con la Fundación BBVA. El resultado fue el ciclo de conferencias Los secretos de las partículas. La física fundamental en la vida cotidiana, clausurado por el todavía director general del CERN, Rolf Heuer. En el segundo ciclo intervino su sucesora, Fabiola Gianotti. Todas las conferencias de los tres ciclos están disponibles íntegramente en la página web de la Fundación www.fbbva.es o en listas de reproducción de nuestro canal de Youtube.