Los fotosensores de Super Kamiokande detectan los neutrinos como destellos de luz. Crédito: Asahi Shimbun/Getty
Siete mil ojos gigantes de color naranja se enfrentan a los pocos afortunados que han entrado en el observatorio subterráneo de neutrinos de Super-Kamiokande, en Japón, el mayor detector de neutrinos del mundo con diferencia. La oportunidad de ver estos sensores de luz es poco frecuente porque suelen estar sumergidos en 50.000 toneladas de agua purificada. Sin embargo, una importante renovación del Super-K que se completó en enero ofreció una rara oportunidad de echar un vistazo al interior de esta gran catedral de la ciencia.
Por primera vez en más de una década, entre junio y enero, se drenó el agua del detector como parte de una renovación de 1.100 millones de yenes (10 millones de dólares). Entre otras cosas, la actualización permitirá a Super-K buscar neutrinos emitidos por supernovas remotas, explosiones que se producen cuando una estrella envejecida colapsa por su propio peso. Los astrónomos quieren estos datos para comprender mejor la historia de las supernovas en el Universo, pero los neutrinos que emiten han sido difíciles de detectar.
«Cada 2-3 segundos, una supernova estalla en algún lugar del Universo, y produce 1058 neutrinos», dice Masayuki Nakahata, que dirige el Super-K, una colaboración internacional liderada por Japón y Estados Unidos. Con la actualización, el detector debería ser capaz de contar unos cuantos de estos neutrinos «reliquia» cada mes, dice Nakahata, que es físico de la Universidad de Tokio.
Super-K se encuentra a 1.000 metros bajo una montaña cerca de Hida, en el centro de Japón. En su interior, las moléculas de agua captan los neutrinos que atraviesan el suelo desde el Sol y la atmósfera, o que son emitidos desde un acelerador de partículas situado a cientos de kilómetros. A finales de este año, el observatorio añadirá al agua el metal de tierras raras gadolinio. Esto hará que el detector distinga mucho mejor entre los diferentes tipos o «sabores» de neutrinos, así como sus antipartículas, los antineutrinos.
En 1987, el detector Kamiokande, el predecesor más pequeño de Super-K, detectó los primeros neutrinos procedentes de una supernova. La docena de neutrinos procedía de la Supernova 1987A, que se produjo en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia que orbita alrededor de la Vía Láctea. El experimentador principal, Masatoshi Koshiba, compartió el premio Nobel de física de 2002 en parte por ese descubrimiento. Pero desde entonces no se ha relacionado ningún neutrino con una supernova.
El físico Masayuki Nakahata en el interior del detector Super-K.Crédito: Noah Baker/Nature
La mayoría de los neutrinos solares se revelan golpeando un electrón de una molécula de agua a gran velocidad, lo que produce un débil destello de luz (que es lo que ven los «ojos» de Super-K). Pero otros neutrinos -y, en particular, los antineutrinos que constituyen la mayor parte de las emisiones de las supernovas- interactúan con un protón de un núcleo atómico en lugar de con un electrón. Esta colisión libera un neutrón y un positrón, la versión antimateria del electrón. La señal del positrón es difícil de distinguir para el detector de la de un electrón procedente de un neutrino solar. Pero el neutrón produce su propia señal -un rayo γ- cuando es capturado por otro núcleo.
Nueva potencia
Los núcleos de gadolinio son mucho más eficaces que los de hidrógeno u oxígeno del agua a la hora de capturar esos neutrones perdidos, y los rayos γ que producen son más fáciles de detectar por el Super-K, como otro destello de luz. Así, cuando un antineutrino impacte, Super-K no verá un destello, sino dos, con unos pocos microsegundos de diferencia.
John Beacom, astrofísico teórico de la Universidad Estatal de Ohio, en Columbus, y Mark Vagins, un experimentalista de Super-K que ahora trabaja en el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, en Kashiwa (Japón), tuvieron la idea de añadir gadolinio a Super-K a principios de la década de 20001. El gadolinio se había utilizado en experimentos de neutrinos más pequeños, pero nunca en un detector de agua.
«Cuando empezamos, todo el mundo con el que hablamos nos dio una lista de diez razones por las que sería imposible», dice Beacom. El mayor desafío, dice Vagins, era si el agua del detector podría filtrarse continuamente para eliminar las impurezas sin eliminar el gadolinio al mismo tiempo. Dirigió un esfuerzo de una década para demostrar que la idea podía funcionar, lo que supuso la construcción de un detector de neutrinos de 6 millones de dólares, llamado con humor Evaluación de la acción del gadolinio en los sistemas de detección (EGADS). Una parte crucial de ese esfuerzo requería inventar un nuevo tipo de sistema de agua.
En 2015, Beacom y Vagins habían convencido a la colaboración para incluir el gadolinio en la siguiente actualización. ¡Esa parte de la renovación se conoce extraoficialmente como Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (¡GADZOOKS!), con signo de exclamación incluido. (Al igual que Egads, Gadzooks se utiliza a menudo en los cómics de superhéroes para denotar sorpresa.)
Super-K ya ha tenido un enorme éxito. En 1998, dos años después del inicio de las operaciones, el detector proporcionó la primera prueba sólida de que los neutrinos y antineutrinos pueden «oscilar», o ciclar, entre tres sabores. El descubrimiento obligó a los teóricos a modificar el modelo estándar de la física de partículas -la explicación de las partículas y fuerzas del Universo- y planteó una serie de nuevos interrogantes. (Takaaki Kajita, colega de Nakahata y antiguo líder de Super-K, compartió el premio Nobel de física de 2015 por su descubrimiento de la oscilación de neutrinos.)
«Super-K ha sido tan influyente en la física de partículas, si no más, que el LHC, el colisionador del CERN que descubrió el bosón de Higgs», dice Janet Conrad, física de neutrinos del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge.
«Estoy encantada de que Super-K se ponga en marcha ahora con el dopaje de gadolinio. Creo que la física es muy emocionante», dice Conrad. «También me alegro por mis amigos Mark Vagins y John Beacom. Había mucha gente que decía que esto no se podía hacer por muchas razones».
Hiper-K
Incluso mientras Super-K comienza de nuevo, los físicos japoneses están impulsando un hermano aún mayor llamado Hyper-Kamiokande. La Universidad de Tokio ha apoyado este proyecto de 55.000 millones de yenes, y los investigadores están esperando a saber si el gobierno nacional lo financiará. Se espera una decisión en agosto.
«Nuestro objetivo es iniciar la construcción de Hyper-K en dos años, y luego empezar a funcionar en 2027 aproximadamente», afirma el director del proyecto, Masato Shiozawa, físico de la universidad y miembro desde hace tiempo de la colaboración con Super-K.
El tanque de Hyper-K contendría 260.000 toneladas de agua, más de cinco veces más que el de Super-K. Su gran tamaño lo haría mucho más eficaz en la detección de supernovas, pero también debería ayudar a investigar otro misterio cósmico: por qué el Universo parece estar hecho principalmente de materia, con poca antimateria alrededor.
Un paso crucial para entender esta diferencia, dicen los teóricos, es medir una asimetría entre los neutrinos y los antineutrinos, concretamente una diferencia en la velocidad a la que los antineutrinos pasan por sus tres sabores, frente a la de los neutrinos. Super-K ya ha observado fuertes indicios de dicha diferencia, utilizando neutrinos disparados a través de la corteza terrestre desde un acelerador de partículas, pero Hyper-K sería capaz de realizar mediciones mucho más precisas.