Hyper-Kamiokande será una versión aún más grande del famoso detector de neutrinos Super-Kamiokande, un enorme tanque lleno de agua revestido con fototubos. Observatorio Kamioka/Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos/Universidad de Tokio

Estados Unidos y Japón se están embarcando en ambiciosos esfuerzos para extraer un secreto clave del universo de los fantasmas subatómicos conocidos como neutrinos.

Entre los físicos, aquellos que estudian partículas escurridizas llamadas neutrinos pueden establecer el estándar para la determinación obstinada o la terquedad obstinada. Durante 12 años, científicos en Japón han disparado trillones de neutrinos cientos de kilómetros a través de la Tierra hacia un detector subterráneo gigantesco llamado Super-Kamiokande (Super-K) para estudiar sus propiedades cambiantes. Sin embargo, las partículas casi sin masa interactúan con otra materia tan débilmente que el experimento, conocido como T2K, ha capturado menos de 600 de ellas.

Sin embargo, los neutrinos son tan atractivos que los físicos no solo persisten, sino que planean aumentar enormemente los esfuerzos para crearlos y atraparlos. Lo que está en juego puede ser la comprensión de una de las preguntas más profundas de la física: cómo el universo recién nacido generó más materia que antimateria, de modo que está lleno de algo en lugar de nada.

Esa perspectiva, entre otras, ha provocado una carrera para construir dos detectores subterráneos masivos, a costos que van desde cientos de millones hasta miles de millones de dólares. En una antigua mina de zinc cerca de la antigua ciudad de Kamioka en Japón, los físicos se están preparando para construir Hyper-Kamiokande (Hyper-K), un gigantesco sucesor de Super-K, que escudriñará los neutrinos disparados desde un acelerador de partículas en el Japan Proton. Accelerator Research Complex (J-PARC) en Tokai a 295 kilómetros. En los Estados Unidos, los científicos están desarrollando el Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE) en una antigua mina de oro en Lead, Dakota del Sur, que atrapará neutrinos del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) a 1300 kilómetros de distancia en Batavia, Illinois.

Los investigadores con ambos experimentos reconocen que están en competencia y que Hyper-K puede tener una ventaja porque probablemente comenzará a tomar datos uno o dos años antes que DUNE. Sin embargo, aparte de sus objetivos, «Hyper-K y DUNE son muy diferentes«, dice Chang Kee Jung, físico de neutrinos en la Universidad de Stony Brook y miembro de T2K que ahora también trabaja en DUNE.

Hyper-K, que será más grande pero más barato que DUNE, representa el próximo de una serie de detectores de neutrinos cada vez más grandes del mismo diseño básico desarrollado durante 40 años por físicos japoneses. Es casi seguro que funcionará como se esperaba, dice Masato Shiozawa, físico de partículas de la Universidad de Tokio y co-portavoz de la colaboración Hyper-K de 500 miembros. “Hyper-K es una tecnología más establecida que DUNE”, dice. “Por eso lo propuse”.

DUNE empleará una tecnología relativamente nueva que promete revelar las interacciones de los neutrinos con un detalle sorprendente y permitirá a los físicos probar su comprensión de las partículas con un rigor sin precedentes. “Sin presumir demasiado, somos los mejores de la clase”, dice Sergio Bertolucci, físico de partículas de la Universidad de Bolonia y del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia y coportavoz de la colaboración DUNE de 1300 miembros. Sin embargo, esa ventaja tecnológica tiene un alto precio y, reconoce Bertolucci, más riesgo.

La forma en que se desarrolle la rivalidad dependerá de factores tan mundanos como el costo de la excavación subterránea y tan emocionantes como la posibilidad de que los neutrinos, siempre extravagantes, guarden alguna sorpresa que transformará la comprensión de la naturaleza por parte de los físicos.

Las partículas más comunes en el universo, además de los fotones, los neutrinos no ejercen ningún efecto sobre los objetos cotidianos que nos rodean. Sin embargo, podrían llevar pistas a misterios profundos. Los neutrinos y sus contrapartes de antimateria vienen en tres tipos o sabores: electrón, muón y tau, según cómo se generen. Por ejemplo, los neutrinos electrónicos emergen de la desintegración radiactiva de algunos núcleos atómicos. Los neutrinos muónicos vuelan de la descomposición de partículas fugaces llamadas mesones pi-plus, que pueden producirse al estrellar un haz de protones contra un objetivo. Estas identidades no son fijas: un neutrino de un tipo puede cambiar a otro, como un camaleón, a medida que se desplaza casi a la velocidad de la luz.

Extrañamente, un neutrino de un sabor definido no tiene una masa definida. Más bien, es una combinación mecánica cuántica de tres «estados de masa» diferentes. Por ejemplo, un pi-plus en descomposición escupe la combinación de estados de masa que forman un neutrino muón. Sin embargo, como engranajes que giran a diferentes velocidades, los estados de masa evolucionan a diferentes velocidades, cambiando esa combinación. Entonces, una partícula que comenzó como un neutrino electrónico podría aparecer más tarde como un neutrino tau, un fenómeno conocido como oscilación de neutrino.

Los teóricos pueden explicar todo esto con un mecanismo de relojería matemático conocido como el modelo de los tres sabores. Tiene solo un puñado de parámetros: en términos generales, las probabilidades con las que un sabor oscile en otro y las diferencias entre los tres estados de masa. La imagen tiene lagunas. Los experimentos muestran que dos estados de masa están cerca, pero no si los dos estados similares son más ligeros o más pesados ​​que el tercero, un enigma conocido como el problema de la jerarquía.

Además, los neutrinos y antineutrinos pueden oscilar en cantidades diferentes, una asimetría llamada violación de paridad de carga (CP). Medir esa asimetría es el premio que buscan los físicos, ya que podría ayudar a explicar cómo la sopa de partículas fundamentales en el universo primitivo generó más materia que antimateria.

Neutrinos en alta definición

Compuesto por dos tanques rectangulares, cada uno lleno con 17.000 toneladas de argón líquido, DUNE rastreará con precisión todas las partículas cargadas producidas cuando un neutrino de alta energía disparado desde un laboratorio distante golpea un núcleo de argón.

Seguimiento de pistas. Las partículas cargadas liberarán electrones, que un campo eléctrico empujará hacia una rejilla de cables. Al cronometrar cuándo se dispara cada cable, los físicos pueden inferir las trayectorias de las partículas y, en última instancia, la energía del neutrino entrante.

Anillo alrededor de un neutrino

Un tanque subterráneo lleno de 260.000 toneladas de agua y revestido con fotodetectores, Hyper-Kamiokande detectará neutrinos disparados desde cientos de kilómetros de distancia explotando el equivalente óptico de un estampido sónico.

¡Impactante! Al golpear un núcleo, un neutrino puede convertirse en un electrón o muón que viaja más rápido que la luz en el agua y genera una onda de choque de luz, formando un anillo en el costado del tanque.

Los tenues neutrinos en sí mismos no inclinaron el equilibrio entre materia y antimateria. Más bien, según algunas teorías, los neutrinos familiares se reflejan en neutrinos «estériles» mucho más pesados ​​​​que interactuarían con nada excepto con neutrinos. Si los neutrinos y antineutrinos estériles también se comportan asimétricamente, entonces en el universo temprano sus desintegraciones podrían haber generado más electrones que antielectrones (también llamados positrones), sembrando el dominio de la materia.

Ver la violación de CP en neutrinos ordinarios no probaría que este escenario se desarrolló, señala Patrick Huber, teórico del Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia. Pero no ver la violación de CP entre los neutrinos ordinarios haría mucho menos probable que los pesos pesados ​​hipotéticos posean la asimetría clave, dice Huber. “No es imposible, pero es inverosímil”, dice.

Pero, primero, los científicos deben determinar si los neutrinos realmente exhiben esta asimetría. Los equipos de Japón y Estados Unidos emplearán una técnica bien establecida para investigar el comportamiento de los neutrinos. Al estrellar protones energéticos de un acelerador de partículas contra un objetivo para producir pipluses, generarán un haz de neutrinos muónicos y lo dispararán hacia un detector subterráneo distante. Allí, los investigadores contarán los neutrinos muónicos supervivientes y los neutrinos electrónicos que hayan surgido en el camino. Luego, pasarán a producir un haz de antineutrinos muónicos, recolectando pi-menos en lugar de pi-más del objetivo. Repetirán las medidas, buscando cualquier diferencia.

En MicroBOONE, un pequeño detector de argón líquido en Fermilab, un neutrino energético genera partículas cargadas, incluido un electrón (pista larga). Colaboración MicroBOONE

El experimento es mucho más difícil de lo que parece, ya que varios otros factores podrían crear una asimetría espuria. Por ejemplo, los haces de neutrinos y antineutrinos inevitablemente diferirán ligeramente, tanto en intensidad como en su espectro de energía. Para tener en cuenta tales diferencias, los investigadores deben tomar muestras de las partículas cuando comienzan su viaje colocando un pequeño detector, preferiblemente con un diseño lo más similar posible al detector distante, frente a la fuente del haz.

La física de los propios neutrinos también podría sesgar los resultados. Por ejemplo, tanto los neutrinos como los antineutrinos serán absorbidos más fuertemente por la materia que atraviesan en su vuelo hacia el detector. La dirección de ese efecto depende de la solución al problema de la jerarquía. Entonces, para detectar la violación de CP, lo más probable es que los físicos también tengan que resolver el problema de la jerarquía.

Sin embargo, la mayor barrera para resolver todo esto ha sido la mísera cosecha de neutrinos incluso de los experimentos más grandes. Al igual que sus homólogos en Japón, los físicos estadounidenses ya tienen un experimento de oscilación de neutrinos, NOνA, que dispara neutrinos desde Fermilab a un detector 810 kilómetros al norte en Minnesota. Al igual que T2K, ha capturado solo varios cientos de neutrinos.

Hyper-K abordará la escasez principalmente al proporcionar un objetivo mucho más grande para que los neutrinos golpeen. Propuesto hace una década, es una versión ampliada del famoso detector Super-K y consistirá en un tanque cilíndrico de acero inoxidable de 78 metros de alto y 74 metros de ancho, con capacidad para 260 000 toneladas de agua ultrapura, cinco veces más que el Super-K. .

Para detectar neutrinos, el detector se basará en el equivalente óptico de un estampido sónico. En raras ocasiones, un neutrino muón que atraviesa el agua eliminará un neutrón de un átomo de oxígeno y lo transformará en un protón, mientras que el neutrino mismo se transforma en un muón de alta energía. El muón que huye en realidad superará la velocidad de la luz en el agua, que es un 25% más lenta que en el vacío, y generará una onda de choque de la llamada luz Cherenkov, al igual que un chorro supersónico crea una onda de choque de sonido. Esa onda de choque en forma de cono proyectará un anillo de luz en el costado del tanque, que está revestido con fotodetectores.

De manera similar, un neutrino electrónico puede chocar con un neutrón para producir un electrón de alta velocidad, que es más liviano que un muón y será golpeado más por las moléculas de agua. El resultado será un anillo de luz más borroso. Los antineutrinos de muones y electrones pueden generar antimuones y antielectrones detectables al golpear protones, aunque con aproximadamente la mitad de la eficiencia de las interacciones de neutrinos.

En Super-K, un neutrino muón se convierte en un muón, que irradia un anillo de luz ordenado. Observatorio Kamioka/Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos/Universidad de Tokio

Hyper-K será el tercer gran detector de Japón, todos en la misma zona minera. De 1983 a 1995, el Experimento de decaimiento de nucleos de Kamioka (Kamiokande), un detector de 3000 toneladas, trató de detectar las desintegraciones ultra raras de protones que predicen algunas teorías. En cambio, en 1987, vislumbró neutrinos de una supernova, un avance que ganó una parte del Premio Nobel de Física en 2002. En 1996, Super-K entró en línea. Probó que los neutrinos oscilan mediante el estudio de los neutrinos muón generados cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera. Son menos los que suben del suelo que los que bajan del cielo, lo que demuestra que los que atraviesan la Tierra cambian de sabor a lo largo del camino. El descubrimiento compartió el Nobel en 2015. “Es espectacular lo que han hecho [los físicos japoneses]”, dice Erin O’Sullivan, astrofísica de neutrinos en la Universidad de Uppsala y miembro de Hyper-K que se sintió atraída por “la dinastía de Super-K. ”

Un neutrino electrónico genera un electrón y un anillo más borroso. Observatorio Kamioka/Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos/Universidad de Tokio

Hyper-K reutilizará el haz de neutrinos de J-PARC, que ahora se está actualizando para aumentar su potencia en un factor de 2,5. En general, debería recopilar datos a una velocidad 20 veces superior a la de T2K, dice Stephen Playfer, físico de partículas de la Universidad de Edimburgo y la Universidad de Tokio y coordinador técnico principal del proyecto. Antes de unirse a Hyper-K en 2014, él y sus colegas de Edimburgo también consideraron unirse a DUNE. “Cuando se trataba de comparar quién iba a ser el primero en ver algo, pensamos que Hyper-K estaba en una buena posición, solo porque tendría las estadísticas y tenía una tecnología conocida”, dice.

Hyper-K tendrá limitaciones. En particular, no medirá con precisión las energías de los neutrinos. Eso es importante porque la velocidad a la que oscila un neutrino depende de su energía, y un haz contiene neutrinos con un rango o espectro de energías. Sin una forma de identificar la energía de cada neutrino, el experimento no podría dar sentido a las tasas de oscilación.

Para evitar este problema, Hyper-K, al igual que los experimentos actuales, se basará en un truco. Un haz de neutrinos diverge naturalmente, y los neutrinos de menor energía se propagan más que los de mayor energía. Por lo tanto, si un detector se coloca ligeramente al lado de la trayectoria del haz, verá neutrinos con un rango de energías más estrecho que debería oscilar aproximadamente a la misma velocidad. Entonces, como Super-K, Hyper-K se asentará fuera del eje del haz en un ángulo de 2,5°.

Luego, los físicos pueden ajustar la energía del haz para que los neutrinos lleguen al detector cuando la oscilación sea máxima. Con la energía de los neutrinos restringida, los físicos básicamente cuentan la cantidad de neutrinos muónicos, neutrinos electrónicos y sus contrapartes de antimateria que llegan. La medición de CP de Hyper-K se reduce a comparar dos proporciones: neutrinos electrónicos con neutrinos muónicos y antineutrinos electrónicos con antineutrinos muónicos.

Los trabajadores ya han comenzado la excavación de Hyper-K, que debería tomar 2 años, dice Shiozawa. Todo el proyecto le costará a Japón alrededor de $ 600 millones, y los socios internacionales aportarán $ 100 millones a $ 200 millones adicionales, dice. El detector estará completo en 2027, dice Shiozawa, y comenzará a tomar datos un año después. Los investigadores de Hyper-K confían tanto en su tecnología que dicen que la parte más complicada del proyecto es la excavación. “Necesitamos construir probablemente la caverna subterránea más grande” del mundo, dice Shiozawa. “En términos de tecnología y también de costo, este es el mayor desafío”.

Si, tecnológicamente, Hyper-K equivale a mucho más de lo mismo, DUNE pretende ser algo casi completamente diferente. Empleará una tecnología que, hasta hace poco, se utilizó solo en otro gran experimento, pero que debería permitir a los físicos ver las interacciones de los neutrinos como nunca antes. “Para mí, lo atractivo de DUNE es su precisión”, dice Chris Marshall, físico de partículas de la Universidad de Rochester y coordinador de física de DUNE. “Este es un experimento que será líder mundial en casi todo lo que mide”.

Desde 2015, los investigadores de DUNE han construido prototipos en el laboratorio europeo de física de partículas, CERN, que han funcionado incluso mejor de lo esperado. Brice Maximillien/CERN

Atrincherado a 1480 metros de profundidad en una mina de oro reutilizada, DUNE consistirá en dos tanques rectangulares de 66 metros de largo, 19 metros de ancho y 18 metros de alto. Cada uno contendrá 17.000 toneladas de argón líquido helado enfriado por debajo de -186°C. Al igual que en un detector lleno de agua, un neutrino puede disparar un neutrón, en este caso en un núcleo de argón, para crear un muón o un electrón. Pero los neutrinos que llegan a DUNE desde Fermilab contendrán hasta 10 veces más energía que los que fluyen hacia Hyper-K. Entonces, además del muón o el electrón, una colisión normalmente producirá un chorro de otras partículas como piones, kaones, protones y neutrones.

DUNE tiene como objetivo rastrear todas esas partículas, o al menos las cargadas, con una tecnología llamada cámara de proyección de tiempo de argón líquido. A medida que una partícula cargada atraviesa el argón, ionizará algunos de los átomos, liberando sus electrones. Un fuerte campo eléctrico empujará los electrones hacia los lados hasta que golpeen tres planos de alambres paralelos muy próximos entre sí, cada plano orientado en una dirección diferente. Al observar cuándo los electrones golpean los cables, los físicos pueden reconstruir con precisión milimétrica la trayectoria 3D de la partícula original. Y a partir de la cantidad de ionización que produce, pueden determinar su tipo y energía.

Los detalles son alucinantes. Los electrones tendrán que desplazarse hasta 3,5 metros, impulsados ​​por un voltaje de 180 kilovoltios. Y a diferencia de Hyper-K, DUNE se ubicará directamente en el haz de Fermilab. Por lo tanto, capturará una cosecha de neutrinos más grande pero más desordenada, con energías que van desde menos de 1 gigaelectronvoltio hasta más de 5 GeV.

La capacidad de DUNE para rastrear con precisión todas las partículas debería permitirle hacer algo sin precedentes en la física de neutrinos: medir la energía de cada neutrino entrante para construir espectros de energía para cada tipo de neutrino y antineutrino. Debido al cambio de sabor, una gráfica de cada espectro debería exhibir un movimiento u oscilación distinto. Al analizar todos los espectros, los físicos deberían ser capaces de precisar todo el modelo de tres sabores, incluida la cantidad de violación de CP y la jerarquía, de una sola vez, dice Bertolucci. “Puede medir todos los parámetros en el mismo experimento”, dice.

Hasta ahora, la tecnología nunca se ha desarrollado completamente. El premio Nobel italiano Carlo Rubbia soñó con el detector de argón líquido en 1977. Pero no fue hasta 2010 que uno llamado ICARUS en el Laboratorio Nacional subterráneo Gran Sasso de Italia atrapó algunos neutrinos disparados desde el laboratorio europeo de física de partículas, CERN, cerca de Ginebra, Suiza. . Los investigadores de Fermilab y CERN se han embarcado en un programa acelerado para construir prototipos, que han funcionado incluso mejor de lo esperado, dice Kate Scholberg, física de neutrinos y miembro del equipo DUNE en la Universidad de Duke. «Es algo fascinante mirar las pantallas de eventos» que llegan, dice ella. “Es un detalle increíble”.

La luz se refleja en los planos de cables de captura de electrones muy próximos entre sí dentro de un prototipo de DUNE. Los cables tienen un grosor de 150 micrómetros, como cabello pesado. CERN

Esa precisión tiene un precio. A efectos contables, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) divide el proyecto en dos. Una pieza, la Instalación de Neutrinos de Línea de Base Larga (LBNF), incluye el nuevo haz de neutrinos en Fermilab y toda la infraestructura. El segundo, DUNE, es una colaboración internacional que construirá solo las entrañas de los detectores. En 2015, el DOE estimó que LBNF/DUNE costaría $1,500 millones y estaría en línea en 2027. Sin embargo, el año pasado, el DOE informó que los costos de construcción inesperados habían aumentado la factura a $3,100 millones. El detector debería estar terminado en 2028, dice Christopher Mossey, director de proyecto de LBNF/DUNE-U.S. Pero el rayo se retrasará hasta principios de 2031, lo que podría dar a Hyper-K una ventaja inicial de más de 2 años.

Con los contratos en mano y la construcción en curso, los desarrolladores de DUNE confían en que se mantendrán los nuevos costos y plazos. La excavación superó el 40% y debería completarse en mayo de 2023, dice Mossey. “Realmente estamos logrando cosas grandes y tangibles”. Aún así, los físicos de DUNE reconocen que el proyecto es más arriesgado que Hyper-K. “Es un salto a lo desconocido, y ese es el intercambio que haces”, dice Scholberg. “Algo que sea más transformador sin duda implicará más miedo”.

Ambos experimentos tienen otros objetivos científicos, como la búsqueda de la descomposición de protones. Ahí, Hyper-K tiene una ventaja, dice Huber, ya que es simplemente más grande y contiene muchos protones solitarios en el corazón de los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua. Otra recompensa tentadora podría venir si una estrella gigante colapsa y explota como una supernova cerca de nuestra galaxia, como sucedió en 1987. Los experimentos proporcionarían observaciones complementarias, dice Scholberg, ya que DUNE vería los neutrinos electrónicos producidos justo cuando el núcleo implosiona y Hyper -K vería principalmente antineutrinos electrónicos liberados más adelante en la explosión.

Sin embargo, la razón de ser de ambos experimentos sigue siendo descifrar las oscilaciones de neutrinos y buscar la violación de CP. Entonces, ¿cómo perjudicaría un jugador a esta carrera?

Dada su ventaja inicial, los físicos de Hyper-K podrían lograr grandes descubrimientos antes de que DUNE incluso encuentre su lugar. Si la violación de CP es tan grande como es posible, «entonces podemos descubrirla en 3 años», dice Shiozawa. «Y también, podemos descubrir la descomposición de protones en 3 años». Pero, dice, «realmente depende de la naturaleza».

Hyper-K está optimizado para medir la violación de CP, asumiendo que es grande y que el modelo de tres sabores es la última palabra sobre las oscilaciones de neutrinos, señala Huber. Ninguna suposición puede sostenerse. Y con su técnica de conteo más simple y su línea de base más corta, el experimento puede tener dificultades para distinguir la violación de CP del efecto de la materia, a menos que algún otro experimento resuelva el problema de la jerarquía de manera independiente. «Hyper-K ciertamente requiere más entradas externas», dice Huber.

Hyper-Kamiokande desplegará fototubos nuevos y mejorados, que deben soportar presiones de hasta seis atmósferas en el fondo del tanque. Observatorio Kamioka/Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos/Universidad de Tokio

DUNE, por el contrario, debería ser capaz de desenredar todo el lío por sí solo. Shiozawa, por su parte, no descarta a su rival. El proyecto japonés ha experimentado sus propios dolores de crecimiento, señala, incluida la reducción de un diseño inicial de 1 millón de toneladas. Y el gobierno japonés no tolerará ningún aumento de costos, lo que pone a los líderes de proyectos en constante tensión con los contratistas, dice. “La situación no es tan diferente entre los dos proyectos”.

En última instancia, la rivalidad entre Hyper-K y DUNE puede ser menos una carrera por la gloria que una lucha de décadas a través de la incertidumbre. Si es así, los dos equipos podrían terminar colaborando tanto como compiten, al menos de manera informal. «Tendremos mucho tiempo en el que los resultados más precisos provendrán de una combinación de los dos [experimentos]», predice Huber.

Lo más tentador es que, en lugar de completar la teoría actual, los resultados podrían cambiarla. Podrían revelar desviaciones del modelo de tres sabores que podrían insinuar nuevas partículas y fenómenos que acechan en el vacío. Después de todo, los neutrinos han sorprendido repetidamente a los físicos, quienes alguna vez supusieron que las partículas venían en un solo tipo y eran completamente inertes y sin masa. “Anteriormente, los experimentos con neutrinos nos han enseñado que rara vez tomamos datos en un haz de neutrinos y obtenemos exactamente lo que esperamos”, dice Marshall.

Lo inesperado puede ser una posibilidad remota por la que valga la pena apostar.