Capturar la partícula més esmunyedissa
Cada segon ens passen pels dits 100.000 milions de neutrins, la partícula elemental més difícil de detectar. Un equip de 1.000 científics es disposa a estudiar-los amb un gran experiment subterrani
Una mina d’or abandonada prop de Deadwood, a Dakota del Sud, és el marc per al que sens dubte serà l’experiment científic més gran del món. Un equip internacional format per uns 1.000 científics treballa per dissenyar i tirar endavant aquest projecte, l’experiment internacional DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que té per objectiu estudiar la partícula de matèria més abundant de l’Univers però també la més esmunyedissa, el neutrí. L’objectiu d’aquest projecte és fer un pas endavant per entendre l’origen de la matèria i acabar de construir el model científic que ens permet explicar el funcionament de l’Univers.
Una partícula per entendre l’Univers
Als físics de partícules, els neutrins ens fascinen per les seves inusuals propietats, que poden estar directament associades a fenòmens que probablement expliquen l’estructura de l’Univers. Els neutrins són partícules fonamentals que no es poden descompondre. Són a tot arreu però atrapar-les és enormement difícil perquè gairebé no tenen massa, no tenen càrrega i poques vegades interactuen amb altres partícules.
Cada segon ens passen per la punta dels dits uns 100.000 milions de neutrins, però gairebé tots travessen la Terra sense deixar rastre. La major part provenen de les reaccions nuclears que alimenten el sol. Els neutrins també procedeixen de rajos còsmics que arriben a l’atmosfera o d’estrelles que esclaten. Igualment, se’n van produir molts en el naixement de l’Univers.
Això vol dir que si estudiem els neutrins i els comparem amb les seves rèpliques d’antimatèria, els antineutrins, potser esbrinarem què va passar al principi de l’Univers i per què majoritàriament aquest Univers està format per matèria i no per antimatèria. Els experiments ideats per detectar neutrins també ens podrien ajudar a esbrinar si els protons es descomponen, una prova clau per comprovar les idees dels científics que volen explicar la major part de les forces de la física mitjançant una “gran teoria unificada”. Al Fermi National Accelerator Laboratory (el Fermilab), a Illinois, el DUNE dispararà feixos de neutrins que recorreran una trajectòria subterrània de 1.300 quilòmetres fins a la Planta d’Investigació Subterrània de Sanford, a Dakota del Sud. Si els comparem, l’accelerador circular de partícules del gran col·lisionador d’hadrons (LHC) -on es va descobrir el bosó de Higgs- només té 27 km de circumferència, però les partícules del DUNE circularan per terra i no per un túnel construït específicament.
La detecció de neutrins
Hi ha neutrins de tres tipus o sabors: neutrins electrònics, neutrins muònics i neutrins tauònics. Els neutrins que surtin del Fermilab seran sobretot de tipus muònic, però podrien canviar en desplaçar-se. Detectar aquests canvis és el que ens donarà unes respostes precises als interrogants sobre la naturalesa del neutrí i el seu paper a l’Univers.
Els neutrins es poden detectar enregistrant la llum, la càrrega i el tipus de partícula que produeixen quan entren en contacte amb determinats líquids. Quan arriba un neutrí, crea una partícula que correspon al seu sabor. Un neutrí electrònic, per exemple, produirà un electró, mentre que un neutrí muònic produirà un muó. Si detectem electrons, sabrem que els neutrins muònics han canviat de sabor mentre viatjaven. A DUNE es faran servir quatre tancs de grans dimensions, cadascun dels quals contindrà 10.000 tones d’argó líquid a una temperatura de -186 ºC, per detectar els neutrins amb molta més precisió que en els experiments anteriors, que eren més petits o feien servir tancs plens d’aigua. L’experiment s’ha de fer aproximadament a un quilòmetre i mig sota terra per impedir que els detectors rebin falsos senyals de neutrins procedents de la radiació còsmica que bombardeja la Terra.
L’enorme sensibilitat aconseguida amb aquest mètode també ajudarà a detectar ràfegues de neutrins a l’espai. Per exemple, el 1987 va esclatar una estrella (una supernova) i tots els detectors del món van enregistrar un total de 25 esdeveniments produïts per neutrins. En el cas d’una supernova semblant, en deu segons el DUNE seria capaç d’observar milers de neutrins resultants de l’explosió. Analitzar la composició i l’estructura temporal d’aquests polsos revolucionaria els nostres coneixements sobre les supernoves i les propietats dels neutrins.
Resoldre el misteri de l’antimatèria
Tot això ens hauria d’ajudar a respondre una sèrie de preguntes importants sobre els neutrins: per exemple, sobre la seva massa. Els neutrins són tan diminuts que probablement la seva massa no la crea el bosó de Higgs, descobert fa poc pel gran col·lisionador d’hadrons. Al contrari, aquesta massa prové potser d’un altre tipus de neutrins molt pesants que es desintegren molt de pressa tot just després de formar-se. Aquests neutrins pesants potser van tenir un paper molt important als inicis de l’evolució de l’Univers i també podrien ajudar a explicar per què a l’Univers hi ha molta més matèria que antimatèria. El DUNE també ens ajudarà a esbrinar si els neutrins i les seves rèpliques d’antimatèria, els antineutrins, es comporten d’una manera idèntica, cosa que aportaria més proves del domini de la matèria sobre l’antimatèria.
El protó no és estable?
Com que la gran quantitat d’argó del detector conté molts protons, el DUNE també és un experiment ideal per investigar la desintegració dels protons. Segons l’actual model estàndard de la física que descriu totes les partícules fonamentals, és impossible que els protons es desintegrin. Però moltes de les grans teories unificades que estan elaborant els científics per explicar totes les forces de l’Univers (excepte la gravetat) apunten que els protons es desintegren, tot i que molt a poc a poc.
Ara com ara no tenim proves de la desintegració dels protons però, si fos un fet, el DUNE seria capaç de detectar-la i localitzar-la amb precisió mil·limètrica dins l’argó líquid. Això ajudaria a comprovar la veracitat de les grans teories unificades i, a més, ens donaria més pistes sobre el domini de la matèria sobre l’antimatèria.
Les noves aportacions econòmiques i els esforços de científics de tot el món ens permetran accedir a les primeres descobertes del DUNE l’any 2024. Això vol dir que d’aquí una dècada potser ja s’hauran resolt alguns dels principals misteris a què s’enfronta avui la comunitat científica.
