El gran experimento japonés que puede confirmar el final del Universo

Aprueban la construcción del Hyper-Kamiokande, el detector de neutrinos más grande del mundo. Entre sus objetivos, observar por primera vez la desintegración de un protón, una revolución para la Física

Japón ha dado luz verde a la construcción del Hyper-Kamiokande (HK o Hyper-K), el detector de neutrinos más grande del mundo, que intentará dilucidar algunos de los grandes misterios del universo. Entre sus objetivos más ambiciosos, descubrir el motivo por el que la materia ganó a la antimateria tras el Big Bang permitiendo nuestra existencia. Y otro quizás aún más alucinante: la descomposición del protón propuesta por la teoría de la Gran Unificación. Se trata de un fenómeno extremadamente raro que nunca se ha observado y que, si es que sucede, pondría patas arribas lo que creemos saber sobre las leyes de la física.

Hyper-K se construirá dentro de una gigantesca caverna junto a la mina Kamioka de la ciudad de Hida, unos trabajos que costarán cerca de 600 millones de euros. El presupuesto para el primer año contempla 30 millones y las operaciones comenzarán en 2027. El detector contendrá 260.000 toneladas de agua ultrapura, más de cinco veces la cantidad albergada por su predecesor, el Super-Kamiokande. Japón proporcionará aproximadamente el 75% de los fondos totales del proyecto y el resto será cubierto por sus socios internacionales. España estudia convertirse en uno de ellos. Hace tan solo unos días, el líder del proyecto, Takaaki Kajita, físico de la Universidad de Tokio y Premio Nobel de Física 2015 por su co-descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, se reunió con el ministro de Ciencia, Pedro Duque, para llegar a acuerdos al respecto.

Participación española

El nuevo detector japonés «tiene un interés científico imbatible e indudable», asegura Luis Labarga, responsable de un grupo del departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid dedicado al desarrollo de las unidades de fotodetección del Hyper-K. Es el coordinador científico de la participación española en el proyecto, en el que también se ha involucrado el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), donde se desarrollan varios experimentos sobre neutrinos. «España debería ser uno de los socios del detector. Sería un gravísimo error quedarnos fuera», asegura el investigador.

El detector consistirá en un tanque en forma de tambor de 71 metros de profundidad y 68 metros de ancho, «en el que cabría la catedral de Notre Dame de París», ilustra Labarga. El tanque de agua estará revestido con los detectores de alta sensibilidad recientemente desarrollados que capturarán los débiles destellos emitidos por las partículas cargadas de alta energía creadas cuando un neutrino colisiona con un átomo en el agua, causando que una partícula cargada se dispare a alta velocidad.

El misterio de la asimetría

El enorme tamaño del Hyper-K le permitirá detectar un número sin precedentes de neutrinos, unas partículas fantasma que apenas interactúan con la materia, producidos por diversas fuentes, incluidos los rayos cósmicos, el Sol, las supernovas y también de un acelerador de partículas que los produce artificialmente. Uno de los aspectos de más interés es que podrá estudiar las diferencias en los comportamientos de los neutrinos y sus contrapartes de antimateria, los antineutrinos. Esta asimetría podría ayudar a explicar cómo terminamos en un universo lleno de materia y aparentemente sin rastro de antimateria, uno de los mayores misterios a los que se enfrenta la Física. No habría átomos, ni estrellas. «Sería un conocimiento científico fundamental, revolucionario», afirma Labarga. Es lógico, ya que esa victoria nos permite existir. Si hubiera ganado la antimateria, no habría más que energía y luz.

Super-K ya ha visto indicios de esta discrepancia, pero tanto Hyper-K como otro gran detector en EE.UU. llamado Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), que comenzará también a finales de esta década, deberían poder medirlo con alta precisión: el japonés con agua y DUNE con argón líquido.

El final del universo

Además de atrapar neutrinos, el detector controlará el agua en busca de la posible descomposición espontánea de protones en los núcleos atómicos, lo que, si se observa, sería igualmente un descubrimiento revolucionario. La estabilidad de la materia, del protón, ha sido admitida sin reservas por la mayor parte de la comunidad científica. De hecho, según el modelo estándar actual de la física de partículas, no se desintegra jamás. Sin embargo, desde finales de los años 70, nuevas ideas y teorías intentan reemplazar a la existente y conseguir una teoría unificada de todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. De acuerdo con esas ideas, el protón (que en realidad no es un partícula fundamental, sino que esta compuesto de quarks) no sería estable, sino que tendría una vida media extraordinariamente larga, de más de 10 elevado a 34 años, varios órdenes de magnitud por encima de la vida actual del Universo. La desintegración, entonces, sería un fenómeno extremadamente raro, si es que sucede.

«Pensamos que debe ocurrir y por eso hacemos detectores cada vez más grandes», explica Labarga. En efecto, debido a que Hyper-K controlará un volumen de agua mucho mayor que Super-K, tendrá una mejor oportunidad de ver la descomposición de protones. Si no detecta el fenómeno, el límite de la vida media del protón aumentará diez veces. «Se trata de un problema científico fundamental con una solidez teórica indestructible», dice el científico. Hyper-K «merece la pena solo por la desintegración del protón», concluye, al tiempo que asegura que este descubrimiento tendría incluso «implicaciones filosóficas y teológicas, ya que nos habla del final del universo».

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