JUNO en acción: los elusivos neutrinos y su detección

Giovanna Cottin Buracchio

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Recientemente el detector de neutrinos JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) ubicado en Jiangmen, China, comenzó su esperada toma de datos. JUNO es un detector gigantesco con una tarea igual de gigantesca: la de entender las propiedades de los neutrinos, elusivas y abundantes partículas fundamentales.

Los neutrinos están en todas partes. Son la segunda partícula más abundante del universo. Billones de neutrinos provenientes de las reacciones de fusión en nuestro propio sol llegan constantemente a la tierra. Pueden aparecer neutrinos de muy alta energía incluso en explosiones de supernovas. Pueden también crearse en reactores nucleares hechos por humanos en tierra. Pero no es tan fácil detectarlos, ya que interactúan débilmente (y poco frecuentemente) con los átomos. Por eso no los sentimos cuando atraviesan nuestro cuerpo, ya que no le hacen nada a los átomos de nuestros cuerpos. Para verlos, hay que maximizar las probabilidades de que interactúen con la materia. Y por eso se construyen detectores de neutrinos enormes, con la mayor cantidad de materia posible dentro de ellos para que suficientes neutrinos puedan interactuar con ella.

El corazón de JUNO es una esfera de acrílico (la más grande del mundo) de 35 metros de diámetro, que contiene 20 kilotoneladas de líquido centellador, casi 40.000 tubos fotomultiplicadores y está a 700 metros bajo tierra. La esfera está rodeada por otro detector de agua de 35 kilotoneladas. Es como si la esfera estuviera inserta dentro de una piscina de agua gigante, la que también actúa como detector. JUNO se encuentra a casi 53 km de distancia de dos grandes plantas nucleares Chinas. Por ende, detecta mayormente (anti-) neutrinos provenientes de los reactores nucleares en ellas. La detección ocurre cuando los tubos fotomultiplicadores detectan la luz de centelleo que se produce al ser los neutrinos "capturados" por el líquido centellador, convirtiendo la señal de luz en una señal eléctrica, que se va luego a los computadores para el posterior análisis de los datos.

La tecnología de JUNO será capaz de medir el espectro de energía de los neutrinos con la mejor resolución en energía de un detector de centelleo líquido en la historia. Esta corresponde a una resolución del 3% a 1 MeV. Un MeV corresponde a un millón de electronvoltios, que es una unidad de energía. Esto significa que si la energía real de la partícula que pasó por JUNO fue de 1 MeV, puede diferenciarse de otra que tuvo 0.97 MeV y de otra que tuvo 1.03 MeV. Es decir, esta resolución permite identificar las energías de las partículas ¡aunque estén a tres decimales de cerca!

Poder hacer esto importa e impacta, ya que queremos entender con precisión a los neutrinos. Estos poseen una propiedad extraña. Los neutrinos decimos oscilan entre ellos. Sabemos que existen tres tipos distintos o sabores de neutrinos en la naturaleza. A estos sabores les llamamos tipo "electrón", tipo "muón" y tipo "tau". Que los neutrinos oscilan significa que un neutrino tipo electrón -proveniente por ejemplo del Sol que está a millones de kilómetros de la tierra- puede transformarse en vuelo a un neutrino tipo "muón" antes de llegar a la tierra y ser detectado como tipo "muón". Este es un proceso que depende de varios parámetros y puede ocurrir gracias a la mecánica cuántica, que rige las probabilidades de transformación de los diminutos neutrinos.

Haciendo una analogía, es como si los tres tipos de neutrinos fueran tres especies distintas que almaceno en un frasco: pimienta, merquén y sal. Cada una tiene su propio color, por ende las puedo identificar. Mientras los neutrinos viajan, los distintos granos (sabores) se mueven y se mezclan. Si abro el frasco una vez, puedo ver mayoritariamente pimienta. Si lo abro una segunda vez y se diluye mejor la pimienta, puedo identificar mayoritariamente merquén. Y así sucesivamente. El cómo resulta la mezcla (los parámetros de oscilación) depende de la cantidad de pimienta, merquén o sal que tenga (sabores de neutrinos), de por cuánto tiempo se mezclan (de qué tan lejos vienen los neutrinos) y de qué tan pesado es el frasco (masa de los neutrinos).

Estas oscilaciones ya se han medido en otros experimentos anteriores a JUNO (se otorgó un premio Nobel en Física el año 2015 de hecho por esto), pero aún no conocemos con exactitud los valores de los parámetros. JUNO podrá medir algunos de los parámetros de oscilación con un orden de magnitud de mejora en la precisión existente. La precisión importa, ya que medir las oscilaciones de los neutrinos es evidencia de que los neutrinos tienen masa. Y aún no podemos explicar cómo ni por qué adquieren esa masa. El poder medir con precisión los parámetros de oscilación, y así poder inferir el orden que tienen las masas de los neutrinos es el desafío que comienza JUNO. Uno de los objetivos principales de JUNO es poder determinar cuál de los tres neutrinos es el más masivo y cuál el más liviano. Entender esto abriría puertas para acceder a interrogantes profundas aún desconocidas en física de partículas, que tratamos de contestar en nuestras investigaciones como: ¿Cuál es el mecanismo que les da la masa a los neutrinos? ¿Existen solo tres neutrinos? ¿Puede existir un cuarto? ¿Cómo afectan los neutrinos al desbalance entre materia y antimateria que observamos en el universo? Necesitamos entender bien a los neutrinos si queremos contestar estas preguntas. Y para poder entender bien es que JUNO es necesario.

El programa científico de JUNO se extenderá por al menos 10 años. Desde Chile, investigadores de nuestro Instituto Milenio SAPHIR participan en JUNO, que reúne a una colaboración científica internacional de cerca de 700 personas. La ciencia en JUNO va más allá del estudio de los neutrinos provenientes de los reactores nucleares. Su tecnología permite también observar neutrinos y antineutrinos de fuentes terrestres y extraterrestres, como los geoneutrinos, neutrinos que podrían venir de la aniquilación de hipotéticas partículas de materia oscura en el halo de nuestra galaxia, o quizás otras señales exóticas de nuevas partículas elementales que podrían interactuar con los neutrinos, alterando alomejor sus oscilaciones y la jerarquía de sus masas.

JUNO a fin de cuentas es, a mi parecer, un ejemplo de cómo el querer acceder a interrogantes fundamentales sobre nuestro universo motiva el desarrollo de instrumentos con tecnologías únicas, diseñadas por personas visionarias para buscar respuestas en el largo plazo, y así, poder explorar con calidad lo desconocido.