Susurros del Universo bajo tierra: el SNOLAB

Adiv González Muñoz

Foto: Solamu/Flickr, CC 2.0

Algunos fenómenos cósmicos solo se pueden estudiar en instalaciones subterráneas construidas dentro de minas o bajo las montañas

Las instrucciones eran claras y directas: “Una vez en el elevador, deben quedarse en su lugar, no encender lámparas, no tomar fotos ni videos y mantener las manos pegadas al cuerpo.” No sé si era por el overol de lona que nos dieron para bajar a la mina o los nervios, pero ya en ese punto estaba sudando, aunque seguía sentado en la sala de espera. Iba con un grupo de físicos como parte de las actividades de un congreso sobre astropartículas y física en laboratorios subterráneos. A algunos se les notaba que no era la primera vez que hacían este viaje porque parecían relajados, al contrario de los que íbamos por primera vez. De un pasillo salió un grupo de mineros, y nos avisaron que era nuestro turno.

Estudios profundos

El elevador parecía una jaula con espacios horizontales entre placas metálicas: por eso lo de mantener las manos pegadas al cuerpo. Nos fuimos acomodando hasta quedar apiñados, porque junto con mi grupo de físicos venía otro de mineros. Se cerró una reja y empezó el descenso. El elevador no tenía iluminación y de inmediato nos sumergimos en la oscuridad. Al principio parecía que no íbamos muy rápido, pero la corriente de aire que entraba y el ruido del roce del elevador con las guías empezaron a subir de intensidad. Estábamos acelerando. En medio de esa oscuridad y ruido apenas pude distinguir las voces de algunos mineros mientras trataba de no pensar que colgábamos dentro de un agujero de dos kilómetros de profundidad. Me hallaba en camino al SNOLAB, el laboratorio más profundo del mundo, un ambiente aislado del ruido de la superficie en el que se estudian los neutrinos y la materia oscura para entender la estructura del Universo.

El SNOLAB toma su nombre del primer experimento que se instaló ahí, llamado sno, siglas en inglés de Observatorio de Neutrinos de Sudbury (el laboratorio está cerca de esa ciudad, en Canadá). Los neutrinos son partículas subatómicas sin carga eléctrica y con una masa extremadamente pequeña que se crean en reacciones nucleares dentro de las estrellas, incluido el Sol, así como en reactores nucleares y en la interacción de radiación proveniente del espacio con la atmósfera. Los neutrinos interactúan con la materia tan débilmente que una de estas partículas podría atravesar un bloque de plomo de más de un año luz (9.5 billones de kilómetros) de espesor sin interactuar con el material.

Detectar neutrinos es como grabar el canto de un ave que rara vez se deja ver en el bosque. Podemos tener mucha paciencia y esperar a que un ejemplar se acerque a nuestro micrófono, o podemos distribuir muchos micrófonos por el bosque. El problema es que esos micrófonos grabarán todo lo que suceda en el entorno y será difícil distinguir el canto del ave que nos interesa en medio de todo el ruido. La cosa cambia si hay un lugar al que solo pueda llegar esa ave y nadie más. Ese lugar es el SNOLAB.

Tras el descenso todavía tuve que recorrer a pie un túnel de varios cientos de metros para llegar al laboratorio. En ese túnel se sentía algo de calor, como cuando estás en una habitación que ha estado expuesta al sol todo el día. Al caminar observaba las paredes de roca desnuda tratando de dimensionar lo inusual de ese ambiente. Estábamos rodeados de kilómetros de roca, bajo una presión atmosférica 20 % mayor de la que hay al nivel del mar y en un ambiente prácticamente libre de rayos cósmicos, que son uno de esos “ruidos” que dificultan detectar neutrinos en la superficie.

Los rayos cósmicos son un tipo de radiación que tiene su origen en fenómenos muy energéticos en el Universo: llamaradas solares, muerte de estrellas en forma de supernovas, las inmediaciones de agujeros negros. Cuando esta radiación llega a nuestra atmósfera choca con los átomos del aire y produce partículas secundarias, que a su vez pueden producir más partículas en un efecto en cascada que puede alcanzar la superficie de la Tierra. Prácticamente cualquier detector de radiación en la superficie terrestre es sensible a los rayos cósmicos, y cualquier medición de radiación tiene que tomar en cuenta ese ruido de fondo. Pero a dos kilómetros bajo tierra el flujo de rayos cósmicos se reduce 50 millones de veces, mientras que el flujo de neutrinos se mantiene prácticamente inalterado.

Los detectores de neutrinos actuales son enormes depósitos de agua o algún líquido especial. Si un neutrino acierta a interactuar con el líquido se produce un destello que se capta por medio de una extensa red de detectores distribuidos en las paredes del tanque. El problema es que ese destello también lo pueden producir los rayos cósmicos y los elementos radiactivos. Lo primero se resuelve instalando esos detectores bajo miles de metros de roca. Lo segundo requiere otro tipo de medidas.

Instrumento del experimento SuperCMDS (Búsqueda Criogénica de Materia Oscura, por sus siglas en inglés).
Departamento de Energía de Estados Unidos/Flickr.

Plomo antiguo

Antes de visitar el SNOLAB le pregunté a un amigo sobre su experiencia trabajando ahí. Lo primero que me dijo fue: “para entrar te van a quitar hasta los calzones”. Yo creí que era broma, pero no: en estos laboratorios la limpieza es esencial, porque hay experimentos que no solo necesitan estar protegidos de los rayos cósmicos, sino también del polvo del aire y el que una persona pudiera traer encima. Así pues, para ingresar hay que dejar toda la ropa en un casillero, incluyendo los calzones, darse una ducha completa y luego ponerse ropa y calzado provistos por el laboratorio. El problema no es el polvo en sí, sino las trazas de elementos radiactivos que contiene, como todo lo que nos rodea y hasta nuestro propio cuerpo.

Medir la presencia de elementos radiactivos en una muestra puede ser complicado precisamente porque estamos inmersos en un flujo continuo de radiación. Sería como oír un susurro en un concierto de rock. Para hacer esas mediciones, la muestra y el detector se tienen que rodear de algún tipo de blindaje, por ejemplo de plomo. Pero el plomo también tiene un isótopo radiactivo, y hay experimentos que no toleran ni siquiera ese nivel de radiación.

El isótopo radiactivo del plomo tiene una vida media (tiempo que tarda su radiactividad en reducirse a la mitad) de 22 años. Una muestra de plomo extraída de la Tierra y que no haya estado expuesta a la atmósfera desde hace miles de años ya habrá perdido gran parte de su radiactividad. Para fortuna de los físicos, los antiguos romanos ya usaban el plomo de forma industrial y lo llevaban de un lado a otro entre sus colonias por mar. En el fondo del Mediterráneo hay barcos hundidos con plomo que ha estado bajo el mar cerca de 2 000 años. Por supuesto, usar ese plomo causa conflictos con los arqueólogos, ya que todo lo encontrado en un naufragio tiene un valor histórico. Pero se han alcanzado acuerdos para que el plomo pueda utilizarse y al mismo tiempo estudiarse con el fin de extraer información útil para los arqueólogos, por ejemplo, cuándo se extrajo y de dónde.

Esta esfera con 3.6 toneladas de argón líquido es parte del experimento dea P-3600, uno de los que buscan materia oscura en el SNOLAB. Trabajan en él investigadores de 10 instituciones de Canadá, México y Reino Unido.

La búsqueda de lo invisible

El experimento que yo quería ver era el sno+: una esfera de 17 metros de diámetro con 9 600 sensores de luz apuntando hacia una esfera interna de acrílico. La esfera interna contenía un líquido que brillaba cuando lo atravesaba un neutrino. Pero solo nos dejaron ver el centro del control: una sala con varias pantallas desde donde se vigila lo que pasa en el aparato.

El SNOLAB alberga también varios experimentos dedicados a buscar la materia oscura. Sabemos que la materia oscura existe gracias a que ejerce una influencia gravitacional en estrellas y galaxias enteras (véase ¿Cómo ves? núm. 290). Al principio los astrónomos creían que era un tipo de materia que no emitía ni reflejaba luz, y por eso la llamaron “oscura”. Pero en realidad es totalmente invisible. No se sabe qué tipo de partículas la componen ni si estas interactúan con la materia ordinaria más allá de la gravedad. No es un problema menor: 84 % de la materia que ejerce fuerza gravitacional en el Universo es materia oscura. Se ha propuesto que podría estar constituida por partículas muy pesadas (hasta miles de veces la masa del protón); así, dominarían gravitacionalmente el Universo, pero interactuarían con la materia tan débilmente como los neutrinos. Por eso el SNOLAB es un lugar ideal para intentar la detección de materia oscura.

Cuando un experimento está en operación no es mucho lo que se puede ver, precisamente porque los aparatos están rodeados de blindaje. Solo se aprecia una maraña de cables conectados a compu­tadoras. Pero en aquella visita tuve la fortuna de que estaban desmontando un experimento de detección de materia oscura llamado pico-60, por lo que pude ver sus componentes. Lo primero que resaltaba era un tanque cilíndrico de acero de un par de metros de diámetro y tres metros de altura. A un costado, colgado de un soporte de metal, había un recipiente de cuarzo de un poco más de un metro de largo y unos 30 centímetros de ancho. Nuestros anfitriones nos explicaron que el recipiente se llena de un líquido transparente y se coloca dentro de un cilindro de acero equipado con cuatro cámaras de video y sensores de audio, el cual se rellena de un aceite especial. Esto se sella a presión y el montaje completo se mete en el tanque, el cual contiene agua que se utiliza como escudo contra la radiación. Lo que se espera detectar no es un pulso de luz ni una señal eléctrica, sino una burbuja. El líquido del recipiente de cuarzo se somete a una presión y temperatura tales que cualquier perturbación lo puede poner a “hervir”, esto es, hacer que se formen burbujas. Así, en teoría, cuando una partícula de materia oscura choque contra un núcleo atómico del líquido, este saldrá disparado, provocando una burbuja. Pero aún más interesante es que, además de ver la burbuja, se podrá escuchar cómo se forma: distintos tipos de radiación hacen que en ese proceso la burbuja haga un ruido diferente. Así se podría seleccionar el tipo de eventos que se quiera por el sonido.

Miles de detectores del experimento sno+ captan neutrinos cuando chocan contra una molécula del líquido especial que contiene.
sno/Lawrence Berkeley National Laboratory/Roy Kaltschmidt/Flickr, CC 2.0.

Otros laboratorios subterráneos

Además del SNOLAB hay otros laboratorios en el mundo donde se ha aprovechado la infraestructura de una mina. Uno de los primeros, en 1968, fue el experimento Homestake, llamado así por el nombre de una mina en Dakota del Sur. Ahí, a 1 500 metros bajo tierra, se instaló un enorme tanque con 400 000 litros de un compuesto de cloro para detectar neutrinos provenientes del Sol. La técnica de detección se basaba en que los neutrinos propician la conversión de átomos de cloro en átomos de argón. Midiendo la proporción de argón a cloro se podía estimar la cantidad de neutrinos que habían interactuado en el tanque.

En otra mina, en Kamioka, Japón, a 1 000 metros de profundidad, se instaló un experimento llamado Kamiokande. Originalmente era para estudiar la estabilidad del protón, es decir, lo que tardaba esta partícula en desintegrarse, pero luego se adaptó para estudiar neutrinos solares. En 1987 una supernova hizo explosión en la Gran Nube de Magallanes, a 160 000 años luz de la Tierra. Cuando los científicos del Kamiokande analizaron sus datos vieron que la cuenta de neutrinos había dado un salto abrupto casi al mismo tiempo que se observó la luz de la supernova; es decir, habían detectado neutrinos que venían de ese cataclismo. Hoy en día se está construyendo en el mismo sitio el que será el detector de neutrinos más grande del mundo, el Hyper-Kamiokande.

Pero no solo en minas se construyen laboratorios subterráneos. A 120 kilómetros de Roma, Italia, hay una autopista que pasa por debajo de una montaña. A la mitad de este túnel, bajo 1 400 metros de roca, está la entrada al que actualmente es el laboratorio subterráneo más grande del mundo, el Laboratorio Nacional del Gran Sasso, con 180 000 metros cúbicos de espacio para experimentos que detectan neutrinos y buscan materia oscura. Hay otros laboratorios subterráneos en Inglaterra, en la frontera de España y Francia, en India y en China. En nuestro continente solo Estados Unidos y Canadá tienen laboratorios subterráneos, pero para Latinoamérica ya hay un par de propuestas.

El proyecto andes

En la frontera entre Chile y Argentina se ha proyectado la construcción de un túnel que pasaría por debajo de una montaña de la cordillera de los Andes, facilitando el tránsito vehicular entre estas naciones. Aprovechando este proyecto se ha propuesto que en la parte más profunda del túnel se construya un laboratorio: el Agua Negra Deep Experiment Site (andes). Estaría bajo 1 750 metros de roca y tendría un espacio de 33 000 metros cúbicos para experimentos. De construirse, sería el primero de este tipo en Latinoamérica.

Se ha propuesto que el andes sea un laboratorio internacional en el que, además de Argentina y Chile, participen otras naciones. Científicos e instituciones de Brasil y México ya han manifestado su interés. Pero una instalación así de grande y costosa no escapa de los vaivenes de la política, y actualmente la construcción del túnel está en pausa, con riesgo de que se cancele definitivamente.

Interior del Super-Kamiokande.

Investigación y turismo científico en Hidalgo

En México ya está en marcha el proyecto para construir un primer laboratorio de este tipo: el Laboratorio Subterráneo de Mineral del Chico (LABChico), en Hidalgo. Comparado con el andes es un proyecto mucho más modesto: contará con 125 metros cúbicos de espacio al final de un túnel horizontal de 150 metros, con una cobertura de tierra y roca de 100 metros. Ahí se podrán hacer mediciones de muestras de agua o de materiales de uso común que se sospeche que tengan elementos radiactivos. También se podrán caracterizar las trazas de elementos radiactivos en componentes que se utilicen en experimentos de neutrinos y búsqueda de materia oscura.

La mina en la que se construirá el LABChico es uno de los puntos turísticos de Mineral del Chico, un antiguo pueblo minero. La comunidad local se ha interesado en el proyecto porque el laboratorio podría ser un atractivo más de la región. Por ello su diseño contempla que los visitantes lo puedan ver a través de una ventana desde el interior del túnel. Con esto se espera despertar la curiosidad y fomentar el interés en la ciencia.

Cuando volví al hotel me sentía muy cansado, como si hubiera hecho senderismo en una montaña. Este es uno de los efectos de estar bajo más de un kilómetro y medio adicional de atmósfera. Recostado en un sillón, seguía pensando en lo inusual de aquel ambiente, debajo de tanta roca, tan aislado y avanzado tecnológicamente, protegido de radiación con la que convivimos todos los días, con aire tan limpio como el de pocos lugares y con experimentos que podrían verse amenazados por ropa interior no autorizada. Pero solo así es posible oír los susurros del Universo que nos pueden contar más sobre su composición y su estructura.