OPINIÓN: Surge un nuevo misterio sobre el universo

Nota del editor: Don Lincoln es investigador senior del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y autor del libro The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind. También produce una serie de videos de divulgación científica. Las opiniones en esta columna pertenecen exclusivamente al autor.

(CNN) - Esta podría ser la ganadora de la "declaración más obvia de la historia", pero el universo es grande. Su tamaño suscita grandes preguntas y tal vez la principal sea: ¿qué hace que el universo sea el universo?.

Los investigadores han dado un paso crucial en su intento por construir equipo científico que nos ayudará a responder esa pregunta fundamental. Un grupo internacional de científicos que colaboran en el Experimento con Neutrinos en el Subsuelo Profundo (DUNE) anunció que ya está funcionando el prototipo de su equipo, llamado ProtoDUNE.

El ProtoDUNE servirá para validar la tecnología del experimento DUNE, mucho más grande y diseñado para detectar neutrinos, partículas subatómicas que suelen crearse en reacciones nucleares violentas como las que ocurren en las plantas nucleares o en el Sol. Aunque su producción es un prodigio, pueden atravesar la materia ordinaria como un fantasma. Hay tres tipos de neutrinos, tan diferentes como la fresa, la vainilla y el chocolate del helado napolitano.

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Siguiendo las siempre confusas reglas de la física cuántica, estos tres tipos de neutrinos se conducen de una forma desconcertante: cambian de identidad, literalmente. Siguiendo con la analogía del helado, sería como empezar a comer una bola de helado de vainilla y después de unas cuantas cucharadas, cambia mágicamente a chocolate. A través de esta conducta metamórfica, los científicos esperan explicar por qué el universo es como es, por qué no es un vacío lleno de energía y nada más.

El ProtoDUNE es lo suficientemente grande como para albergar una casa de tres pisos y se sitúa en el laboratorio de la Organización Europera para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en francés), justo a las afueras de Ginebra, Suiza. Su construcción tomó varios años y contiene 800 toneladas de argón líquido a baja temperatura, que detecta el paso de partículas subatómicas como los neutrinos. Los neutrinos chocan con el núcleo de los átomos de argón en el detector ProtoDUNE y producen partículas con carga eléctrica. Luego, esas partículas pasan por el detector, golpean los átomos de argón y les arrancan sus electrones.

Los científicos detectan así los electrones. Es algo parecido a cuando notas que acaba de pasar un avión por el cielo porque ves las estelas, esas franjas blancas que el avión deja en el cielo. Con el detector de ProtoDUNE se han observado partículas procedentes del espacio —lo que los científicos llaman rayos cósmicos—, lo que ha validad su efectividad.

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Aunque es considerablemente grande, el ProtoDUNE palidece en comparación con el tamaño del aparato DUNE, que sigue en desarrollo. El DUNE estará en dos lugares: el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) —el principal laboratorio de Estados Unidos para física de partículas, ubicado justo a las afueras de Chicago— y el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF, por sus siglas en inglés), en Dakota del Sur.

La mayor parte del experimento del DUNE consistirá de cuatro grandes módulos, cada uno veinte veces más grande que el ProtoDUNE. Como los neutrinos rara vez interactúan con la materia ordinaria, entre más grande, mejor. Con un incremento de 80 veces en el volumen, el detector del DUNE podrá percibir ochenta veces más neutrinos que el ProtoDUNE.

Estos módulos enormes estarán situados a poco más de un kilómetro y medio de profundidad en el SURF. Se necesita esa profundidad para protegerlos de los rayos cósmicos que el ProtoDUNE ha detectado.

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El Fermilab usará su mayor acelerador de partículas para generar un rayo de neutrinos, mismo que disparará a través de la tierra hacia los detectores en el oeste de Dakota del Sur, a casi 1,300 kilómetros de ahí. Este rayo de neutrinos pasará por un detector parecido al ProtoDUNE en el Fermilab para determinar sus características cuando salen del sitio. Cuando los neutrinos lleguen a Dakota del Sur, los detectores más grandes volverán a medir los neutrinos para determinar cuánto cambió su identidad durante el viaje. Esta conducta cambiante es la que DUNE estudiará. Los científicos llaman a este fenómeno "oscilación de neutrinos" porque los neutrinos cambian de un tipo a otro una y otra vez.

Aunque la investigación y la caracterización de las oscilaciones de neutrinos son el objetivo directo del experimento DUNE, el objetivo más profundo es usar esos estudios para responder una de las preguntas fundamentales sobre el universo. Esto será posible porque el experimento del DUNE no solo estudiará la conducta oscilatoria de los neutrinos, sino que también puede estudiar la oscilación de los neutrinos de antimateria.

En el segundo lugar de "la declaración más obvia de la historia" está "nuestro universo está hecho de materia". Pero los investigadores saben desde hace tiempo de la existencia de una sustancia relacionada, llamada antimateria.

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La antimateria es lo opuesto a la materia ordinaria y se transforma en energía pura cuando se combina con la materia. Además, la energía puede transformarse simultáneamente en cantidades iguales de materia y antimateria. Esto se ha comprobado más allá de cualquier duda razonable.

Pero con esa observación, llegamos a un misterio. Los científicos suelen aceptar que el universo llegó a existir a través de un evento llamado el Big Bang. Según esta teoría, el universo era mucho más pequeño, más caliente y lleno de energía. Conforme se expandió, esa energía debió haberse convertido en cantidades exactamente iguales de materia y antimateria, lo que nos deja con una pregunta desconcertante: ¿En dónde rayos está la antimateria?

Nuestro universo está compuesto solamente de materia, lo que significa que algo provocó que la antimateria del universo primigenio desapareciera. Si esto no hubiera pasado, la materia y la antimateria se habrían anulado y el universo consistiría nada más de un montón de energía sin materia… sin nosotros.

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Esto nos trae de vuelta al experimento del DUNE. El Fermilab no solo generará rayos de neutrinos, sino también de neutrinos de antimateria. La combinación exacta de "sabores" de neutrinos que se emitirán en el Fermilab se determinará a través del detector más cercano y una vez más cuando lleguen el SURF, así que se podrán medir los cambios ocasionados por la oscilación de los neutrinos. Luego, se llevará a cabo el mismo proceso con los neutrinos de antimateria.

Si la oscilación de los neutrinos de materia y los de antimateria es diferente, tendremos una pista enorme para responder la pregunta de por qué el universo es como es.

Con la culminación del desarrollo de la tecnología del nuevo ProtoDUNE, que se usará en el detector DUNE, empezará la carrera para construir el centro completo. Se espera que el primer módulo de detectores empiece a funcionar en 2026.

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Aunque el Fermilab ha hecho contribuciones considerables al programa de investigación del CERN, el experimento DUNE es el primero con el que el CERN invierte en infraestructura científica en Estados Unidos. El DUNE es producto de un esfuerzo internacional conjunto.

Los logros de la ciencia moderna son realmente sorprendentes. Podemos curar enfermedades letales y hemos llevado hombres a la Luna. Pero tal vez el mayor logro sea nuestra capacidad de innovar en nuestro intento por estudiar en detalle algunas de las preguntas más antiguas y más desconcertantes sobre nuestro universo. Con el éxito del ProtoDUNE, estamos mucho más cerca de encontrar las respuestas.

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