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La física de neutrinos constituye en la actualidad uno de los campos más dinámicos de investigación en física. Los neutrinos son partículas elementales con masa minúscula, sin carga eléctrica y con una capacidad de interacción con la materia extraordinariamente reducida. Esto provoca que su detección experimental represente un reto sin precedentes.
La investigación de estas partículas no solo persigue la caracterización de sus propiedades fundamentales: también proporciona una vía privilegiada para explorar cuestiones abiertas en física.
Difíciles de detectar
El espectro energético de los neutrinos, es decir, la distribución de energía sobre el espectro de frecuencias o longitudes de onda, cubre un rango extraordinariamente amplio. Cada rango energético requiere técnicas específicas de detección, lo que ha dado lugar a una amplia diversidad de detectores y metodologías experimentales.
En las últimas décadas, la serie de detectores construidos en Kamioka (Japón) ha marcado hitos fundamentales en la física de neutrinos. El primero, un experimento bautizado como Kamiokande, permitió la detección en tiempo real de neutrinos solares. El siguiente, conocido como Kamiokande-II, registró en 1987 los neutrinos de una supernova. Ello valió a sus investigadores, Raymond Davis Jr y Masatoshi Koshiba, el premio Nobel de Física en 2002.
Super-Kamiokande tomó el relevo a los anteriores y proporcionó en 1998 la primera evidencia directa de las oscilaciones de neutrinos, es decir, la capacidad de cambiar de “sabor” o tipo a lo largo de su desplazamiento. Así se estableció que estas partículas poseen masa, por lo que Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald ganaron el premio Nobel en 2015.
Piscinas de agua pura
Hyper-Kamiokande representa la siguiente generación en esta línea de experimentos. Actualmente en construcción en Kamioka, se trata del mayor detector de neutrinos del mundo, con una masa 8.4 veces superior a la de Super-Kamiokande. Esta ampliación de escala permitirá alcanzar niveles de sensibilidad sin precedentes.
El proyecto, que reúne a 630 investigadores de 22 países, se localizará dentro de un espacio subterráneo excavado en la roca, de 330 000 metros cúbicos. Su techo abovedado tiene 69 metros de diámetro, seguido de un cilindro de 73 metros de altura.
En su interior, albergará un tanque equivalente en volumen a decenas de piscinas olímpicas, que se llenará de agua con un elevado grado de pureza.
A pesar de la dificultad de detección de los neutrinos por su escasa interacción con la materia, están involucrados en numerosos procesos físicos. Al llenar el tanque de Hyper-Kamiokande de agua ultrapura, aumenta sustancialmente la probabilidad de que algún neutrino interactúe con protones y electrones y, por tanto, pueda ser detectado.
Capturados por la luz
Cuando un neutrino interacciona en el agua, se generan partículas cargadas secundarias que se propagan más rápido que la velocidad de la luz en el medio y emiten un cono característico de luz Cherenkov –una radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas cargadas eléctricamente en un determinado medio a velocidades superiores a la velocidad de fase de la luz en dicho medio–.
La superficie interior del tanque cilíndrico estará recubierta por decenas de miles de tubos multiplicadores de esa señal luminosa, conocidos como tubos fotomultiplicadores. Los tubos son capaces de registrar con alta precisión los fotones que conforman la luz y la correspondiente radiación Cherenkov, aportando información de la interacción que la produjo.
Mayor sensibilidad
Un aspecto técnico de gran relevancia en Hyper-Kamiokande es la necesidad de compensar la influencia del campo magnético terrestre sobre los fotomultiplicadores. Este campo puede desviar las trayectorias de los fotoelectrones, que son los electrones emitidos dentro del tubo por la radiación recogida y generan una corriente que se puede detectar.
En experimentos anteriores, este efecto se mitigó mediante el blindaje individual de cada fotomultiplicador con escudos magnéticos. Sin embargo, la escala de Hyper-Kamiokande, que involucra decenas de miles de tubos fotomultiplicadores, hace inviable este enfoque, tanto desde el punto de vista económico como logístico.
La alternativa adoptada consiste en implementar un sistema de compensación mediante bobinas magnéticas distribuidas a lo largo de la superficie interior del tanque. Estas bobinas, al paso de una corriente controlada por ellas, generan un campo magnético que se opone al geomagnético, minimizando así la desviación de los fotoelectrones. El diseño de este sistema constituye un reto de gran complejidad, al requerir un equilibrio entre diversos parámetros.
Nuestro equipo de la Universidad de Oviedo desempeña un papel fundamental en este desarrollo, liderando el diseño y la supervisión del sistema. Esta contribución resulta estratégica para asegurar que el detector alcance la sensibilidad proyectada, así como el posterior trabajo en el análisis de datos.
Interrogantes por resolver
La construcción de Hyper-Kamiokande responde a la necesidad de abordar cuestiones fundamentales de la física contemporánea. Entre ellas destaca la determinación de la escala absoluta de la masa de los neutrinos, así como la jerarquía de la misma. Si bien las oscilaciones han demostrado inequívocamente que poseen masa, su valor absoluto sigue siendo desconocido.
Otra incógnita es si los neutrinos constituyen sus propias antipartículas. La confirmación de esta hipótesis tendría implicaciones en la comprensión de la asimetría entre la materia y la antimateria del universo. Esto abriría la posibilidad de la existencia de un comportamiento diferenciado entre neutrinos y antineutrinos en los primeros instantes del cosmos, lo que explicaría por qué la materia prevaleció sobre la antimateria.
Otros aspectos que se pretenden estudiar incluyen realizar estudios precisos de neutrinos procedentes de supernovas, para esclarecer el papel que estas partículas juegan en los fenómenos astrofísicos de mayor energía en el cosmos.
Una llave al cosmos
De forma paralela, el detector ofrece la posibilidad de abrir nuevas líneas de investigación interdisciplinar como las que ya se ponen de manifiesto en la construcción, al colaborar personal científico y de ingeniería de diversas áreas.
Hyper-Kamiokande constituye no solo un experimento de nueva generación, sino una infraestructura que permitirá responder a preguntas clave de la física, al tiempo que abre el camino hacia nuevas aplicaciones. El estudio de los neutrinos, lejos de estar cerrado, se presenta como un campo para descubrimientos que pueden redefinir nuestra comprensión del universo.
Jesús Daniel Santos Rodríguez, Catedrático de Física Aplicada, Universidad de Oviedo y Sergio Luis Suárez Gómez, Profesor permanente, Universidad de Oviedo
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.