En una mina de oro abandonada cerca de Deadwood, Dakota del Sur, ha comenzado la construcción de lo que podría decirse que es el experimento científico más grande del mundo. Soy parte de un equipo internacional de alrededor de 1, 000 científicos se reunieron para diseñar y ejecutar este proyecto, el Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), con el fin de estudiar la partícula de materia más abundante pero elusiva del universo.

Al hacerlo, podemos dar un paso más hacia la comprensión de los orígenes de la materia y completar el modelo científico de cómo funciona el universo. Es por eso que el gobierno del Reino Unido ha comprometido 65 millones de libras esterlinas para el proyecto, convirtiendo al Reino Unido en el segundo mayor contribuyente al proyecto después de Estados Unidos.

Los físicos de partículas como yo estamos fascinados con los neutrinos debido a sus propiedades inusuales, que puede estar directamente relacionado con fenómenos que podrían explicar la estructura del universo. Los neutrinos son una de las partículas fundamentales que no se pueden descomponer en ninguna otra cosa. Están en todas partes, pero son enormemente difíciles de atrapar ya que casi no tienen masa, no están cargados y rara vez interactúan con otras partículas.

Aproximadamente 100 mil millones de ellos viajan a través de la punta de nuestros dedos cada segundo, pero casi todos atraviesan la Tierra sin dejar ningún rastro. La mayoría de estos neutrinos se originan a partir de reacciones nucleares que alimentan al sol. Los neutrinos también provienen de los rayos cósmicos que golpean la atmósfera, o estrellas en explosión. También se produjeron en abundancia justo después del nacimiento del universo.

Eso significa que al estudiar los neutrinos y compararlos con sus homólogos "antineutrinos", podríamos averiguar qué sucedió al comienzo del universo, lo que significaba que estaría compuesto principalmente de materia y no de antimateria. Los experimentos construidos para detectar neutrinos también podrían ayudarnos a descubrir si los protones se desintegran, una pieza clave de evidencia para probar las ideas de algunos científicos sobre cómo la mayoría de las fuerzas en la física pueden explicarse utilizando una "gran teoría unificada".

Para hacer esto, DUNE disparará rayos de neutrinos desde el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Illinois, NOSOTROS, a lo largo de un 1, Trayectoria subterránea de 300 km hasta la instalación de investigación subterránea de Sanford en Dakota del Sur. En comparación, El acelerador circular de partículas del Gran Colisionador de Hadrones utilizado para encontrar el bosón de Higgs tiene solo 27 km de circunferencia, aunque las partículas de DUNE viajarán a través del suelo en lugar de un túnel especialmente construido.

Detectando los neutrinos

Los neutrinos vienen en tres tipos o "sabores", como se les llama:neutrinos de electrones, muon-neutrinos, y tau-neutrinos. Los neutrinos que salen del Fermilab serán principalmente de sabor muón, pero podrían cambiar u "oscilar" mientras viajan. La detección de estas oscilaciones es lo que proporcionará respuestas definitivas a las preguntas sobre la naturaleza del neutrino y su papel en el universo.

Los neutrinos se pueden detectar registrando la luz, carga y tipo de partícula que producen cuando entran en contacto con determinados líquidos. Cuando llega cada neutrino, creará una partícula que corresponda a su sabor. Un electrón-neutrino, por ejemplo, producirá un electrón mientras que un muón-neutrino producirá un muón. Si podemos detectar electrones, entonces sabremos que los neutrinos muónicos cambiaron su sabor a medida que viajaban.

DUNE utilizará cuatro tanques grandes, cada uno contiene 10, 000 toneladas de argón líquido mantenido a una temperatura de -186 ℃, para detectar los neutrinos con mucha mayor precisión que experimentos anteriores que eran más pequeños o utilizaban tanques llenos de agua. El experimento tiene que realizarse a una milla bajo tierra para proteger a los detectores de ser abrumados por señales de neutrinos falsas de la radiación cósmica que bombardea la Tierra.

La enorme sensibilidad producida por el uso de este método también ayudará a detectar explosiones de neutrinos desde el espacio. Por ejemplo, en 1987, una estrella cercana en explosión (supernova) provocó que todos los detectores de neutrinos del mundo registraran 25 eventos de neutrinos en total. DUNE podría observar miles de dispersiones de neutrinos en un período de unos diez segundos para una supernova similar. Analizar la composición y la estructura temporal de un pulso de neutrinos de este tipo revolucionaría nuestra comprensión de las supernovas y de las propiedades de los neutrinos.

Resolviendo el misterio de la antimateria

Todo esto debería ayudarnos a responder varias preguntas clave sobre los neutrinos, por ejemplo sobre su masa. Los neutrinos son tan pequeños que su masa probablemente no sea creada por el bosón de Higgs, descubierto recientemente por el Gran Colisionador de Hadrones, de la misma manera que la mayoría de las demás partículas elementales. En lugar de, su masa puede provenir de neutrinos asociados muy pesados ​​que se desintegran muy rápidamente después de la formación.

Estos neutrinos asociados habrían jugado un papel clave en la evolución temprana del universo y también podrían ayudar a explicar por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo. DUNE también nos ayudará a determinar si los neutrinos y su equivalente de antimateria, anti-neutrinos, comportarse de manera idéntica, proporcionando más evidencia del dominio de la materia.

Dado que las grandes cantidades de argón en el detector contienen muchos protones, DUNE también es un experimento ideal para buscar la desintegración de protones. Bajo nuestro "modelo estándar" actual de física que describe todas las partículas fundamentales, es imposible que los protones se descompongan. Pero muchas de las grandes teorías unificadas que los científicos están reuniendo para explicar todas las fuerzas del universo (excepto la gravedad) predicen que los protones se descomponen, muy lentamente.

Hasta ahora no tenemos evidencia de la desintegración de protones, pero si ocurre, entonces DUNE debería poder detectarlo y ubicarlo dentro del argón líquido con precisión milimétrica. Esto podría ayudar a probar si alguna de las grandes teorías unificadas es correcta, y nuevamente podría proporcionar más pistas sobre el dominio de la materia sobre la antimateria.

La nueva financiación, junto con los esfuerzos combinados de científicos de todo el mundo, nos pondrá en camino de registrar los primeros eventos en DUNE en 2024. Eso significa que en la próxima década podríamos haber resuelto algunos de los mayores misterios del universo.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.