Buscar un premi Nobel sota el Pirineu

Al túnel de Somport, els científics intenten entendre la naturalesa dels neutrins i resoldre un dels grans enigmes de la física

Fa 80 anys el ferri que fa el trajecte entre Palerm i Nàpols va arribar amb un passatger menys dels que s’hi havien embarcat. Enrico Fermi, el físic que va construir el primer reactor nuclear de la història, havia dit d’aquest viatger desaparegut que tenia el talent i la lucidesa de Newton o de Galileu. I és que amb poc més de 20 anys, el sicilià Ettore Majorana havia enlluernat tothom amb la resolució d’alguns problemes fonamentals de física nuclear. Just abans d’esfumar-se misteriosament en aquell vaixell, als 31 anys, havia publicat la seva proposta més agosarada, segons la qual la partícula elemental que es coneix com a neutrí podria ser la seva pròpia antipartícula. Un suggeriment encara no comprovat que, tot i que d’entrada sembla críptic, té implicacions profundes en la nostra comprensió de l’Univers.

Perquè la naturalesa última dels neutrins és un dels grans trencaclosques no resolts de la física. “Aquesta qüestió forma part del top 3 de problemes fonamentals, juntament amb la naturalesa de l’energia i la matèria fosca”, assegura el físic Juan José Gómez Cadenas, que dirigeix l’experiment NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon Time Projection Chamber) al Laboratori Subterrani de Canfranc, situat en aquesta minúscula població del Pirineu aragonès. L’objectiu d’aquest experiment no és altre que esbrinar si el genial i esvanit Majorana tenia raó.

Una partícula fantasmagòrica

Tot i que s’havia predit el 1930, l’existència dels neutrins no es va demostrar amb experiments fins al 1956. Si demostrar-la va portar 26 anys de feina és perquè els neutrins són elèctricament neutres i tenen una massa diminuta -són milions de vegades més lleugers que l’electró-, per la qual cosa interactuen molt feblement amb la resta de matèria. De fet, només en el temps de dir neutrí 100.000 milions d’aquestes partícules travessen l’ungla d’un dels dits amb què aguanteu aquest diari o feu córrer aquest text en una pantalla. ¿Us n’heu adonat? Pareu-hi atenció altra vegada. Res? Així són els neutrins.

Malgrat aquesta naturalesa gairebé espectral, els neutrins podrien ser responsables que el nostre Univers sigui com és. Avui dia se sap que existeix l’antimatèria. Cada partícula té la seva antipartícula, un objecte idèntic a l’original en tot excepte en la càrrega elèctrica, que té el mateix valor però signe contrari. Per aquesta oposició elèctrica, quan una partícula i la seva antipartícula es troben s’atrauen fatalment i es fonen en una abraçada mortal que acaba en un esclat de llum. ¿Però què passa amb una partícula que no té càrrega, com el neutrí? ¿Quina és la seva antipartícula? Majorana ho tenia clar: l’antipartícula del neutrí és ell mateix.

A banda de fer les delícies dels autors de ciència-ficció, la matèria i l’antimatèria també protagonitzen un dels grans enigmes científics de l’actualitat. Si, tal com indica el coneixement actual, després del Big Bang hi havia la mateixa quantitat de matèria que d’antimatèria, com és que avui es veu molta més matèria? ¿No s’haurien d’haver aniquilat cada partícula amb la seva antipartícula, una per una, fins a donar lloc a un Univers ple de llum? El fet que els planetes i les estrelles que veiem estiguin fets de matèria contradiu aquesta hipòtesi. I hi ha models que expliquen l’excés de matèria que ha donat lloc a l’Univers actual a partir del fet que el neutrí sigui la seva pròpia antipartícula. Així que, tot i la seva insignificança aparent, els neutrins podrien ser els autèntics creadors de l’Univers.

Al túnel de Somport

Per totes aquestes implicacions, “qui descobreixi que el neutrí és la seva antipartícula s’endurà un Nobel”, assegura Gómez Cadenas mentre, en una taula de la cafeteria Ara de Canfranc, suca un tros de pa de pessic en un cafè amb llet especialment carregat. Després del cafè, pugem al cotxe, travessem el poble i ens endinsem a l’antic túnel ferroviari de Somport, que connecta el Pirineu aragonès amb el francès al llarg de gairebé nou quilòmetres. Fa 28 anys que no hi circulen trens, però abans era una via de comunicació habitual que fins i tot van utilitzar els nazis per traslladar l’or acumulat en els saquejos que van cometre a tot Europa. Després de ser blanquejat a Suïssa, l’or arribava a Canfranc i d’aquí viatjava fins a Portugal per embarcar-se i anar a parar, finalment, a les butxaques dels nazis emigrats a Sud-amèrica.

L’únic or que ha circulat últimament pel túnel de Somport és el que s’ha fet servir per construir algunes parts del detector que forma el cor de l’experiment NEXT, situat en el laboratori construït a l’interior del túnel. Hi arribem després d’uns minuts d’esquivar sots i bonys. Sobre els nostres caps hi ha 900 metres de roca. Ha de ser així perquè l’experiment necessita el màxim aïllament possible de qualsevol radiació, i a la superfície terrestre hi arriben cada segon bilions de partícules procedents de l’espai o de l’atmosfera. Però amb això no n’hi ha prou. Encara que la radioactivitat s’associï a objectes de color verd fluorescent que palpiten a les entranyes de les centrals nuclears, és un fenomen força més habitual. Tot i que en una mesura molt més petita, també són radioactius l’asfalt, les parets dels edificis, les muntanyes i fins i tot l’entrepà que hem menjat per esmorzar. Com que les parets del laboratori també ho són, el detector s’ha de protegir amb una cuirassa de plom de 30 centímetres de gruix, sota la qual hi ha un recipient d’acer i titani amb un revestiment interior de coure. Aquí dins hi caben deu quilos de xenó, un gas que té unes propietats molt interessants per dirimir si el neutrí és la seva antipartícula.

La desintegració més cobejada

El xenó és un dels elements que poden experimentar l’anomenada desintegració doble beta. En aquest procés, dos neutrons es transformen en dos protons, dos electrons i dos neutrins, de manera que l’àtom de xenó es converteix en un àtom de bari. Si el neutrí fos la seva antipartícula, els dos neutrins que s’haurien d’alliberar en la reacció es contrarestarien l’un amb l’altre abans d’abandonar el nucli i només en sortirien dos electrons amb una energia molt concreta que el detector pot mesurar. Però perquè aquesta mesura tingui èxit s’ha d’eludir un inconvenient considerable: si alguna partícula de l’exterior aconsegueix travessar totes les capes del blindatge i arribar fins al gas, l’impacte produeix un electró que pot confondre l’aparell. Per això és tan important l’aïllament. Per assegurar el tret, els científics estan desenvolupant una tècnica pionera que, en cas que funcioni, permetrà assegurar si els electrons alliberats provenen de la desintegració doble beta o de la intromissió d’una partícula forana. “Aquesta tècnica, que ens situaria en un lloc privilegiat per fer el descobriment, requereix la col·laboració de físics de superfícies, nanotecnòlegs i experts en plasmònica i òptica quàntica”, explica Gómez Cadenas. “La ciència de frontera no es pot fer d’altra manera que amb la col·laboració d’experts de diversos camps”, afegeix.

L’experiment NEXT és una de les sis col·laboracions internacionals que miren d’escatir la naturalesa del neutrí. En formen part 70 científics, que han desenvolupat una tecnologia única. Només per aconseguir el gas xenó s’ha requerit la col·laboració d’una empresa centrifugadora russa que presta un servei valorat en un milió d’euros. Tota aquesta tecnologia s’ha desenvolupat en una època financerament complicada per a la recerca i, per si això fos poc, també hi ha hagut imprevistos. Carlos Peña, el nou director del Laboratori Subterrani de Canfranc, ho explica: “El 2006 vam patir un contratemps que ens va tenir dos anys aturats, quan es va esfondrar el sostre per un defecte de construcció”. Però aquesta catàstrofe va tenir una contrapartida positiva. “Amb el que ens vam estalviar estant aturats -diu Gómez Cadenas- vam poder comprar el xenó a Rússia”. “Per sort -continua Peña- el 2010 vam poder arrencar amb recursos i ara disposem d’unes instal·lacions que poden competir amb els laboratoris subterranis més potents del món, de manera que tenim la llibertat d’apostar per iniciatives ambicioses com NEXT i d’acollir nous experiments”.

A poc a poc i bona lletra

Segons Jordi Salvadó, físic de neutrins de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona, “l’experiment NEXT té una tecnologia molt interessant i ha apostat per fer les coses bé a llarg termini amb l’objectiu de fer el descobriment”. L’experiment ampliarà l’any que ve el volum de xenó utilitzat de 10 a 100 quilos. D’aquí cinc anys podria ampliar-lo a 1.000 quilos, i podria ser aleshores quan es fes el descobriment. “En aquests experiments tan complexos -explica Gómez Cadenas- cal augmentar d’escala pas a pas per no cometre errors”.

No falta gaire, doncs, perquè se sàpiga si Majorana, un científic tan misteriós com els mateixos neutrins, tenia raó. El més curiós del cas és que podria ser perfectament que es resolgués abans el misteri de la naturalesa dels neutrins que el del físic sicilià. Perquè encara que no deixés ni rastre, des que es va esfumar, el 27 de març de 1938, s’han fet tota mena d’especulacions sobre la seva desaparició. N’hi ha que diuen que va emigrar a l’Argentina, altres que el va segrestar una secta i altres que es va recloure en un monestir al sud d’Itàlia quan es va adonar del perill que suposarien les armes nuclears. A efectes pràctics, però, la desaparició de Majorana és com la dels dos neutrins que no figuren en la desitjada desintegració doble beta. Com si Majorana, tal com fan alguns artistes, hagués volgut convertir la seva vida en la seva obra per esdevenir l’antipartícula d’ell mateix.

LA INVENCIÓ A LA DESESPERADA DEL NEUTRÍ

El neutrí és una de les poques partícules que en lloc de descobrir-se es van inventar. La història d’aquesta invenció va començar a principis del segle XX, quan es van descobrir les desintegracions, el procés mitjançant el qual el nucli atòmic d’un element es transforma espontàniament en el nucli d’un altre element. Això passa perquè, tal com s’havia observat aleshores,

un dels neutrons del nucli es transformava en un protó i un electró. Era un procés tan fascinant que va costar d’acceptar. Un cop paït, els físics es van adonar que hi havia coses que no quadraven: els electrons que es generaven en la desintegració tenien energies molt diferents a cada observació. Abans d’acceptar l’existència d’un procés que violava un dels principis més fonamentals de la física com és la conservació de l’energia, el 1930 la imaginació del físic d’origen austríac Wolfgang Pauli va decidir inventar-se a la desesperada una partícula -el neutrí- que s’endugués part de l’energia de la desintegració. Com que no s’havia detectat mai, aquesta partícula havia de tenir per força unes propietats molt estranyes: no tindria ni massa, ni càrrega elèctrica, ni interactuaria amb la matèria. De fet, Pauli estava tan insegur de la proposta que no es va atrevir a parlar-ne directament amb els seus col·legues. Es va limitar a trametre una carta i va enviar un estudiant a defensar-la en públic. La missiva començava amb un exquisit -i molt del temps-“Benvolguts i radioactius senyores i senyors”, i Pauli hi excusava la seva presència al·legant el compromís d’un ball.

Més continguts de

Blogs de ciència