Escondido a 1 km de profundidad bajo el monte Ikeno, en la mina de zinc Kamioka, 290 km al norte de Tokio (Japón), hay un lugar con el que cualquier supervillano de cualquier película o historia de superhéroes soñaría como su guarida. Aquí está el "Super-Kamiokande" (o "Super-K") - un detector de neutrinos. Los neutrinos son partículas fundamentales subatómicas que interactúan muy débilmente con la materia ordinaria. Son capaces de penetrar absolutamente todo y en todas partes. La observación de estas partículas fundamentales ayuda a los científicos a encontrar estrellas que colapsan y a aprender nueva información sobre nuestro universo. Business Insider habló con tres empleados de la estación Super-Kamiokande y descubrió cómo funciona todo aquí y qué experimentos están realizando los científicos aquí.
Sumergirse en un mundo subatómico
Los neutrinos son muy difíciles de detectar. Tan difícil que el famoso astrofísico estadounidense y divulgador de la ciencia Neil DeGrasse Tyson los llamó una vez "la presa más esquiva del espacio".
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“La materia no representa ningún obstáculo para los neutrinos. Estas partículas subatómicas son capaces de atravesar cientos de años luz de metal y ni siquiera reducir su velocidad”, dijo Degrass Tyson.
Pero, ¿por qué los científicos intentan atraparlos?
“Cuando ocurre una explosión de supernova, la estrella colapsa sobre sí misma y se convierte en un agujero negro. Si este evento ocurre en nuestra galaxia, entonces los detectores de neutrinos como el mismo "Super-K" son capaces de atrapar los neutrinos emitidos como parte de este proceso. Hay muy pocos detectores de este tipo en el mundo”, explica Yoshi Uchida del Imperial College de Londres.
Antes de que la estrella colapse, arroja neutrinos en todas las direcciones del espacio, y los laboratorios como Super-Kamiokande sirven como sistemas de alerta temprana que les dicen a los científicos en qué dirección mirar para ver los últimos momentos de la vida de las estrellas.
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“Los cálculos simplificados dicen que los eventos de una explosión de supernova en el radio en el que nuestros detectores pueden detectarlos, ocurren solo una vez cada 30 años. En otras palabras, si te pierdes uno, tendrás que esperar un promedio de varias décadas antes del próximo evento”, dice Uchida.
El detector de neutrinos Super-K no solo capta neutrinos que lo golpean directamente desde el espacio. Además, se le transmiten neutrinos desde la instalación experimental T2K ubicada en la ciudad de Tokai, en la parte opuesta de Japón. El haz de neutrinos enviado tiene que viajar unos 295 kilómetros, luego de lo cual ingresa al detector Super-Kamiokande ubicado en la parte occidental del país.
Observar cómo cambian (u oscilan) los neutrinos a medida que viajan a través de la materia puede decirles a los científicos más sobre la naturaleza del universo, como la relación entre la materia y la antimateria.
“Nuestros modelos del Big Bang sugieren que la materia y la antimateria debían crearse en proporciones iguales”, dijo Morgan Vasco del Imperial College London a Business Insider.
“Sin embargo, la mayor parte de la antimateria, por alguna razón u otra, desapareció. Hay mucha más materia ordinaria que la antimateria.
Los científicos creen que el estudio de los neutrinos puede ser una de las formas en que finalmente se encontrará la respuesta a este acertijo.
Cómo Super Kamiokande atrapa neutrinos
Ubicado a 1.000 metros bajo tierra, Super Kamiokande es algo así, del tamaño de un edificio de 15 pisos.
Esquema del detector de neutrinos Super-Kamiokande.
Un enorme tanque de acero inoxidable en forma de cilindro se llena con 50 mil toneladas de agua especialmente purificada. Al pasar por este agua, el neutrino se mueve a la velocidad de la luz.
"Los neutrinos que ingresan al depósito producen luz en un patrón similar a cómo el Concorde rompió la barrera del sonido", dice Uchida.
“Si el avión se mueve muy rápido y rompe la barrera del sonido, se crea una onda de choque muy poderosa detrás de él. Del mismo modo, los neutrinos que atraviesan el agua y se mueven más rápido que la velocidad de la luz crean una onda de choque de luz”, explica el científico.
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Hay poco más de 11.000 "bombillas" especiales doradas instaladas en las paredes, el techo y el fondo del tanque. Se llaman fotomultiplicadores y son muy sensibles a la luz. Son ellos quienes capturan estas ondas de choque ligeras creadas por los neutrinos.
Los fotomultiplicadores se ven así.
Morgan Vasco los describe como "bombillas de luz trasera". Estos dispositivos son tan supersensibles que incluso con la ayuda de un cuanto de luz pueden generar un impulso eléctrico, que luego es procesado por un sistema electrónico especial.
No bebas agua, te convertirás en un niño
Para que la luz de las ondas de choque generadas por los neutrinos llegue a los sensores, el agua del tanque debe ser cristalina. Tan limpio que ni siquiera te puedes imaginar. En Super-Kamiokanda, pasa por un proceso constante de limpieza especial de varios niveles. Los científicos incluso lo irradian con luz ultravioleta para matar todas las bacterias posibles que contiene. Como resultado, se vuelve tal que ya se horroriza.
“El agua ultrapura puede disolver cualquier cosa. El agua ultrapura es algo muy, muy desagradable aquí. Tiene propiedades ácidas y alcalinas”, dice Uchida.
“Incluso una gota de esta agua puede causarle tantos problemas que nunca soñó”, agrega Vasco.
La gente navega en un barco dentro del embalse Super-Kamiokande.
Si es necesario realizar un mantenimiento dentro del tanque, por ejemplo, para reemplazar los sensores defectuosos, los investigadores deben usar un bote de goma (en la foto de arriba).
Cuando Matthew Malek era un estudiante de posgrado en la Universidad de Sheffield, él y otros dos estudiantes tuvieron "suerte" de realizar un trabajo similar. Al final de la jornada laboral, cuando llegó el momento de subir, una góndola desplegable especialmente diseñada se averió. Los físicos no tuvieron más remedio que volver a los barcos y esperar a que lo repararan.
“No entendí de inmediato cuando estaba acostado de espaldas en este bote y hablando con otros, cómo una pequeña parte de mi cabello, literalmente de no más de tres centímetros de largo, tocaba el agua”, dice Malek.
Mientras flotaban dentro del Super-Kamiokande y los científicos de arriba reparaban la góndola, Malek no estaba preocupado por nada. Se preocupó temprano a la mañana siguiente, al darse cuenta de que había sucedido algo terrible.
“Me desperté a las 3 am de un picor insoportable en la cabeza. Probablemente fue la peor picazón que he experimentado en mi vida. Peor que la varicela, que tuve de niño. Fue tan terrible que simplemente no pude dormir más”, continuó el científico.
Malek se dio cuenta de que una gota de agua que le caía sobre la punta de su cabello "chupaba en seco" todos los nutrientes de ellos y su deficiencia llegaba a su cráneo. Corrió a la ducha a toda prisa y pasó más de media hora allí, tratando de recuperar su cabello.
Vasco contó otra historia. Escuchó que en 2000, durante el mantenimiento, el personal tiró el agua del tanque y encontró el contorno de una llave en la parte inferior.
“Aparentemente, esta llave fue dejada accidentalmente por uno de los empleados cuando llenaron el tanque con agua en 1995. Después de lavar el agua en 2000, descubrieron que la llave se había disuelto.
Super-Kamiokande 2.0
A pesar de que Super-Kamiokande ya es un detector de neutrinos muy grande, los científicos han propuesto crear una instalación aún más grande llamada Hyper-Kamiokande.
"Si obtenemos la aprobación para la construcción de Hyper-Kamiokande, entonces el detector estará listo para funcionar alrededor de 2026", dice Vasco.
Según el concepto propuesto, el detector Hyper-Kamiokande será 20 veces más grande que el Super-Kamiokande. Está previsto utilizar unos 99.000 fotomultiplicadores.
Nikolay Khizhnyak
