(JOSEPH HOWLETT. THE NEW YORKI TIMES)
Cada mañana, dos docenas de mineros e ingenieros se amontonan en un ascensor tipo jaula para un descenso de 11 minutos hacia las entrañas de las Black Hills de Dakota del Sur.
En el fondo, a un kilómetro y medio de la superficie, la puerta de la jaula se levanta y los trabajadores avanzan en fila por un pasillo rocoso y sinuoso. Al final se encuentra el resultado de tres años de trabajo: dos cavernas vacías, cada una tan alta como un edificio de siete pisos y tan largas que la voz tarda un segundo en llegar a la pared del fondo y hacer eco.
Durante más de un siglo, los mineros recorrieron estas profundidades en busca de oro. Ahora albergan el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF, por sus siglas en inglés). En los próximos años, algunos de los mejores físicos de partículas del mundo planean transformar este reino en el punto de escucha de un teléfono de hojalata de 5.000 millones de dólares y 1.280 kilómetros de largo. Con él, esperan oír una respuesta susurrada a una pregunta existencial: ¿cómo llegamos hasta aquí?
El mensaje será transmitido por neutrinos entrantes, partículas extrañas y esquivas que no pesan casi nada y se mueven casi tan rápido como la luz. En el otro extremo del teléfono, un acelerador de partículas de media milla de ancho operado por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, en las afueras de Chicago, creará billones de neutrinos cada segundo en un haz estrecho apuntando directamente a esta caverna. Navegarán bajo tierra, no a través de un túnel, sino a través de un lecho de roca sólida equivalente a tres estados.
Los físicos esperan que, cuando lleguen los neutrinos, finalmente expliquen cómo el Big Bang creó apenas un poco más de materia que su opuesto, la antimateria, un exceso que constituye todo lo que hay en el universo hoy.
El teléfono, oficialmente llamado Experimento de Neutrinos en las Profundidades Subterráneas (DUNE, por sus siglas en inglés), es el mayor proyecto de ingeniería científica bajo suelo estadounidense de la historia. Ha tardado una década en llegar a este punto y puede que se necesite otra década antes de que comience su trabajo. Si todo va bien, convertirá al escurridizo neutrino en una cantidad conocida, llenando un gran vacío en la comprensión de los científicos sobre el universo y, tal vez, devuelva a Estados Unidos a su antigua posición en el centro de la física de partículas.
Fermilab; lámparas frontales de minería en el sitio de Sanford; transportador y bastidor principal del pozo minero de Yates en el sitio de Sanford, que depositó 800 toneladas de roca en la cantera de abajo.Crédito…Mustafa Hussain para The New York Times
¿Qué es la antimateria?
Cuando un átomo se divide, sus dos fragmentos salen volando en ángulos extraños y oblicuos. En 1930, el físico Wolfgang Pauli ideó el neutrino para explicar este comportamiento: debe haber una tercera bala invisible que sale volando en una tercera dirección, tan rápida como la luz pero etérea como un espectro, concluyó el Dr. Pauli.
Tuvieron que pasar décadas para que alguien le diera la razón. Los neutrinos son las partículas más numerosas del universo, pero las más difíciles de estudiar; evaden los detectores de partículas con la misma facilidad con la que atraviesan el lecho rocoso. Son tan escurridizos que son las únicas partículas cuya masa sigue siendo un completo misterio.
Además, mientras que todas las demás partículas tienen una identidad inmutable, los neutrinos pueden cambiar de forma. Una vez que esté en funcionamiento, el acelerador del Fermilab producirá uno de los tres “sabores” de neutrinos. Pero cuando estos lleguen a Dakota del Sur, algunos se habrán transformado en un sabor diferente.
“Es tan evidente como si te convirtieras en tu abuela mientras caminas hacia la cocina, y luego te convirtieras nuevamente en ti mismo cuando regresas a tu habitación”, dijo Bryan Ramson, un físico del proyecto, desde la sala de control de DUNE en Batavia, Illinois. “Eso es esencialmente lo que hacen los neutrinos”.
Sin embargo, este “efecto cuántico de largo plazo y larga distancia”, agregó, es la forma en que DUNE utilizará los neutrinos para explicar, bueno, todo.
El desequilibrio cósmico
Los físicos de partículas esperan que los neutrinos puedan ayudar a resolver un dilema de larga data.
Según las mejores teorías disponibles, la materia —todo lo que podemos ver y sentir en el universo— no debería existir. Cada partícula de materia surge con un doppelgänger, una partícula de antimateria (o “antipartícula”) con propiedades iguales pero opuestas, como carga y espín. Siempre que una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan mutuamente. Las partículas y las antipartículas pueden crearse en igual medida, pero al final se encuentran y se destruyen entre sí, sin dejar nada atrás.
De alguna manera, el Big Bang rompió esta regla: creó una cantidad ligeramente mayor de materia que de antimateria, y esa pequeña porción de materia compone todo lo que podemos ver hoy. Muchos físicos sostienen que las propiedades de cambio de forma de los neutrinos pueden explicar nuestra génesis cósmica.
Lo que el Dr. Ramson y sus colegas de DUNE están tratando de averiguar es si los neutrinos cambian de forma más rápido que los antineutrinos. ¿Pueden los neutrinos eludir a sus dobles transformándose en algo que no les gusta, como si fueran fugitivos que se vistieran con un disfraz diferente? ¿Podría ser así como el universo primitivo terminó con un poco más de materia que de antimateria?
Si DUNE detecta una discordancia entre neutrinos y antineutrinos, eso podría sugerir que la hipótesis tiene fundamento. Y como el neutrino es la única partícula que los físicos aún no han estudiado a fondo, representa la última esperanza para resolver el enigma existencial.
“Es la única ventana abierta hacia nuevas fronteras”, dijo Jelena Maricic, física de la Universidad de Hawai y miembro de DUNE.
El polipasto que controla los elevadores del pozo en el sitio de Sanford; tuberías de gas argón conectadas al detector ICARUS; un modelo de Fermilab.Crédito…Mustafa Hussain para The New York Times
Grandes ambiciones
Cuando los neutrinos del Fermilab lleguen a la caverna de Dakota del Sur, DUNE tendrá menos de una millonésima de segundo para atraparlos y estudiarlos antes de que naveguen por el subsuelo de Wyoming y más allá.
La trampa constará de dos enormes tanques, cada uno lleno de 17.000 toneladas métricas de argón líquido helado; con el tiempo, a estos tanques se unirán otros dos, en una caverna idéntica al final del pasillo. De vez en cuando, un neutrino entrante se volverá corpóreo y chocará contra un átomo de argón, generando un destello de luz y un destello de electricidad. Los detectores medirán estas señales, ofreciendo a los físicos un ápice más de información sobre los neutrinos.
Este raro evento debe ocurrir miles de veces para que los científicos puedan descifrar si los neutrinos y los antineutrinos se comportan de manera diferente. Por lo tanto, la trampa debe ser grande, para detener la mayor cantidad posible de neutrinos. Esto requirió excavar dos cavernas y luego llenarlas con miles de toneladas de acero y algunos de los componentes electrónicos más sensibles jamás construidos, todo transportado a través del estrecho esófago de la mina. Mike Headly, el director de SURF, comparó la construcción con “construir un barco dentro de una botella de vidrio, excepto que el cuello de la botella mide una milla de largo”.
El Dr. Ramson afirmó que “DUNE será esencialmente el experimento perfecto de oscilación de neutrinos de línea base larga”. Agregó: “Si me dieran un presupuesto de un billón de dólares y todo el tiempo del mundo, es difícil imaginar cómo podríamos hacerlo mejor”.
Pero la gran ambición del proyecto ha traído consigo grandes desafíos, no todos ellos previstos.
La infraestructura del pozo de la mina tuvo que ser revisada antes de que el laboratorio pudiera sacar las rocas e instalar el experimento, lo que retrasó la excavación y costó al menos 300 millones de dólares. Y el acelerador de partículas de Fermilab tuvo que ser mejorado (un gasto de mil millones de dólares) para entregar suficientes neutrinos al detector. En 2021, el Departamento de Energía le dio al laboratorio una calificación de desempeño reprobado y en 2023 reabrió el contrato de gestión del laboratorio a nuevos postores. Luego, en mayo de 2023, un trabajador del hierro cayó 23 pies sobre concreto y resultó gravemente herido. El trabajo se detuvo por el resto del año, lo que permitió al laboratorio “revisar todos nuestros procedimientos y garantizar la seguridad de nuestra gente”, dijo Lia Merminga, directora de Fermilab.
Se estimó que la fase inicial del proyecto (una primera medición con los dos detectores de la primera caverna) se completaría en 2035 y costaría unos 1.500 millones de dólares. Ahora está previsto que concluya en 2040 y costará 3.300 millones de dólares. Esto no incluye la actualización del acelerador, que costará mil millones de dólares, ni los dos detectores adicionales que los científicos esperan añadir, ya que solo el primero de ellos costará otros 300 millones de dólares. En total, el coste para los contribuyentes estadounidenses de todo el proyecto podría acercarse a los 5.000 millones de dólares.
Las críticas en la prensa científica a menudo han sido mordaces y han hecho reflexionar a algunos de los 1.400 científicos que habían vinculado su futuro a DUNE.
“Esta edición, tal como salió, fue algo en lo que tuve que pensar mucho mientras decidía qué quería hacer con el resto de mi vida”, dijo el Dr. Ramson. “Renuncié a carreras extremadamente lucrativas en otros lugares para seguir mis intereses”. Si DUNE se cancelara, dijo, “entonces, esencialmente, habría hecho la apuesta equivocada”.
La estación Ross, a 4.850 pies bajo tierra en el sitio de Sanford; la parte superior del pozo; trabajo en la estación Ross, que fue recientemente ampliada para permitir que los componentes de acero de los tanques criogénicos de DUNE se bajaran por el pozo y se trasladaran al espacio.Crédito…Mathew Kapust/Instalaciones de investigación subterráneas de Sanford; Mustafa Hussain para The New York Times; Stephen Kenny/Instalaciones de investigación subterráneas de Sanford
Ron Ray, subdirector de proyectos de DUNE, desestimó las críticas. “Sí, hay algo de ruido por ahí, pero la gente que escribe esas cosas no sabe realmente de qué está hablando”, dijo. “Los primeros días de un proyecto siempre se definen por un optimismo abrumador que nunca resulta ser cierto”.
Argumentó que los costos y retrasos inesperados de DUNE eran normales para un proyecto científico de esta magnitud. Señaló el telescopio espacial James Webb, que se lanzó en diciembre de 2022 después de años de retrasos y sobrecostos y que ahora incursiona regularmente en el espacio. “No hay mejor remedio que el éxito”, afirmó el Dr. Ray.
Para el Dr. Ramson, renunciar a DUNE ahora “sería una señal para el mundo de que Estados Unidos ya no quiere liderar la física de partículas”. El liderazgo en su lugar probablemente lo asumiría el experimento Hyper-K de Japón, que ahora está en construcción y está previsto que comience a funcionar en 2027. Al igual que DUNE, Hyper-K utilizará un acelerador de partículas recientemente mejorado para lanzar neutrinos a cientos de kilómetros hasta una cámara recién excavada en una mina. Pero es más simple y elegante, un modesto avance respecto de la tecnología existente en comparación con DUNE. Es probable que avance más rápido y realice la primera estimación aproximada del desequilibrio entre neutrinos y antineutrinos.
“Cualquier cosa que valga la pena hacer implica competencia”, dijo Sam Zeller, física del Fermilab. Pero no se trata de una simple carrera de caballos, agregó; los experimentos con neutrinos siempre han implicado la colaboración internacional. Además, dijo, DUNE tiene objetivos adicionales, que incluyen la búsqueda de materia oscura, la sustancia invisible que compone la mayor parte del cosmos, y el estudio de los neutrinos de las muertes cataclísmicas de estrellas lejanas.
Tras bastidores, los científicos de DUNE afirman que han logrado un progreso constante hacia el perfeccionamiento del detector de argón líquido, que todavía era una tecnología incipiente en 2012, cuando los diseñadores de DUNE se animaron a desarrollarlo. “Observo toda la lista de cosas que podrían haber resultado diferentes y es como si todas las estrellas se estuvieran alineando”, dijo el Dr. Zeller.
Un punto de inflexión
En diciembre, DUNE recibió un gran impulso moral: un panel de 32 destacados físicos de partículas, encargado de clasificar las prioridades del campo para la próxima década, le dio prioridad a la finalización del proyecto.
“Sentíamos la responsabilidad”, dijo Karsten Heeger, físico de Yale y vicepresidente del grupo de trabajo, conocido como P5, para la priorización de proyectos de física de partículas. “Fue una tarea abrumadora y aterradora”.
Al final, dijo el Dr. Heeger, los riesgos científicos eran demasiado altos como para no respaldar el proyecto. “Esta es una oportunidad real para que Estados Unidos lidere el mundo y se convierta en el centro de la física de neutrinos durante las próximas décadas”, dijo.
El informe sirvió como mandato para “terminar lo que empezamos”, dijo la Dra. Ray. La Dra. Merminga, directora del Fermilab, dijo: “No podría estar más satisfecha con el resultado”. Reconoció que el Fermilab había enfrentado desafíos reales en los últimos años y agregó: “Ya casi lo hemos dejado atrás”.
El 1 de febrero, después de más de una década de planificación y construcción, las cavernas subterráneas se completaron con una última explosión de dinamita. El agujero está ahí; ahora todo lo que los físicos —y el universo— deben hacer es llenarlo.
