Juan José Gómez Cadenas, físico de partículas

El hombre que se metió bajo una montaña a buscar neutrinos

En Canfranc, Huesca, se encuentra uno de los tres experimentos que existen en el mundo para tratar de esclarecer la misteriosa naturaleza de los neutrinos

Foto: (Foto: Universidad de Valencia)
(Foto: Universidad de Valencia)

Cuenta Juan José Gómez Cadenas que en ciencia hay tres tipos de cuestiones: las que conocemos, las que sabemos que desconocemos y las que no sabemos que desconocemos. Son estas últimas las que tienen el potencial de cambiar nuestro mundo. "Piensa en el descubrimiento de la electricidad o en la invención de la web. Fueron momentos de ruptura respecto a todo lo anterior, y sus autores no tenían ni idea de lo que estaban a punto de conseguir".

Lo que este científico quiere conseguir puede ser otro de esos descubrimientos rompedores que responda a preguntas complejas e interesantes: ¿de dónde viene la materia? ¿Por qué existe el universo? Pueden parecer cuestiones muy abstractas más filosóficas que científicas, pero no se preocupen, porque Gómez Cadenas, profesor de investigación del CSIC y miembro del Instituto de Física Corpuscular de Valencia (IFIC), tiene una idea para responderlas. Para ello, necesita comprobar si, como cree (él, y muchos otros), el neutrino es su propia antipartícula.

Suena difícil de entender, pero no se asusten. Simplemente tenemos que retroceder un poco en el tiempo, hasta el principio de todo: el Big Bang. Los físicos postulan que en aquella explosión primigenia se originó toda la materia del universo y que, por cada partícula de esa materia hay una de antimateria, como si se mirasen en un espejo universal.

Los científicos sostienen esta teoría porque la han podido ver en el laboratorio. Cada vez que en el CERN, por ejemplo, se hace colisionar dos protones, se crean estados de energía pura de los que sale siempre la misma cantidad de materia que de antimateria. El Big Bang habría sido algo similar aunque a una escala gigantesca.

¿Por qué no vemos la antimateria?

Sin embargo, como explica Gómez Cadenas, esto plantea una duda interesante: "si el universo es simétrico en materia y antimateria, ¿por qué no vemos la antimateria? ¿Dónde está?". No solo no vemos la antimateria, sino que no encontramos rastro de ella, al menos en cantidades semejantes a la materia. "Si en algún lugar hubiese galaxias o planetas de antimateria ya habrían chocado con los de materia generando unas cantidades de energía tan enormes que sería imposible que nos pasasen desapercibidas. Y no ha sido así. Solo nos queda suponer que no hay antimateria en el universo. ¿Por qué?".

Si en algún lugar hubiese galaxias o planetas de antimateria ya habrían chocado con los de materia generando unas cantidades de energía tan enormes que sería imposible que nos pasasen desapercibidas. Y no ha sido así

Una respuesta podría ser que toda la generada durante el Big Bang se aniquiló al chocar con la materia. "Imagínatelo: en el estado inicial, materia y antimateria se encuentran y ¡puf!, adiós las dos. Pero entonces ¿de dónde ha salido toda la que forma el universo? En definitiva, ¿por qué hay universo?".

La respuesta, explica el científico, es que en algún momento, muy al principio, ocurrió algo que desequilibró el balance de materia y antimateria en favor de la primera. Y Gómez Cadenas cree que ese algo fue una partícula capaz de actuar como un agente doble. "Hay algo que caracteriza a las partículas y son las desintegraciones radiactivas: se desintegran en otras más ligeras. Eso sí, la materia solo se desintegra en materia y la antimateria, en antimateria. Nunca al revés. Es decir, que en un proceso radiactivo puedes empezar con xenón y terminar con bario, pero nunca con antibario".

Sin embargo, habría una partícula en concreto que se rebela ante esta ley inmutable de la naturaleza. "Creemos que hay una partícula, y solo una, que tiene propiedades de materia y de antimateria, es decir, que puede desintegrarse en una y en otra. Esa partícula, que aparece en el instante inicial del universo, se desintegra por igual en ambas, excepto por un poco que favorece a la materia. Así que en el universo primigenio la materia y la antimateria se aniquilan excepto ese exceso de materia, que sería lo único que sobrevivió y lo que formó todo lo que hoy observamos".

Una teoría que necesita su demostración

Pero esto, confiesa Gómez Cadenas, de momento es solo una teoría que debe ser confirmada con observaciones empíricas. "Tenemos que encontrar esa partícula, que creemos que era de la misma naturaleza que el neutrino. Así que tenemos que demostrar que el neutrino es a la vez materia y antimateria, es decir, que es su propia antipartícula. Esto nos ayudaría a responder uno de los misterios que le queda a la física por explicar: por qué narices el universo está hecho solo de materia”.

Muy bien. Y esto ¿cómo se hace? De nuevo, todos tranquilos porque Gómez Cadenas tiene un plan: quiere llevar a cabo un ambicioso experimento puntero en todo el mundo, bautizado como NEXT, y para ello se ha metido debajo de una montaña en Canfranc, Huesca. No es una ubicación caprichosa, necesita que la montaña haga de escudo de la radiación cósmica que nos llega del espacio y que interferiría con los instrumentos que utiliza. Una vez más, vamos por partes.

El experimento se basa en el fenómeno de la radiactividad, en la que un átomo se desintegra en otro más ligero. "La que nos interesa es la que se llama desintegración radiactiva doble beta, en la que dos de los neutrones del átomo se transforman en protones y en el proceso emiten dos electrones y dos neutrinos (aunque estos se escapen sin ser detectados)".

Así que lo que Gómez Cadenas y su equipo quieren hacer es confinar un elemento, en este caso un isótopo del xenón llamado xenón-136 (el número denota la cantidad total de neutrones y protones que tiene el núcleo), en un detector y esperar a que se dé una desintegración radiactiva doble beta. "En este proceso, medimos la energía de los dos electrones que se emiten y que corresponde a la diferencia de masas entre el núcleo padre (Xe-136) y el núcleo hijo (Bario-136) menos la energía que se llevan los neutrinos que no detectamos.

¿Qué ocurre si, como Gómez Cadenas y su equipo sospechan, los neutrinos son su propia antipartícula? Pues que existe un proceso alternativo en el que uno de ellos es partícula, el otro es antipartícula y se aniquilan

Pero ¿qué ocurre si, como Gómez Cadenas y su equipo sospechan, los neutrinos son su propia antipartícula? Pues que existe un proceso alternativo en el que uno de ellos es partícula, el otro es antipartícula y se aniquilan. De hecho, se aniquilan antes de producirse. En este proceso, sólo se emiten dos electrones, la suma de sus energías cinéticas es siempre la misma y se corresponde a la diferencia de masas entre el Xenon-136 y el Bario-136 (masa y energía, como nos informa la ecuación de Einstein, E= mc2, son equivalentes).

"Si podemos observar este proceso, una desintegración radiactiva doble beta del xenón, y medir la energía de los electrones emitidos, y si encontramos un número de sucesos en el que la energía es siempre la misma, y ese número es superior al ruido de fondo que nos esperamos, entonces hemos demostrado que el neutrino es su propia antipartícula, porque es la única forma de que este proceso se produzca", concluye el físico.

Una competición por el Nobel

Si la explicación les ha parecido compleja, imagínense lo que es llevar el experimento a cabo. La sensibilidad de los equipos utilizados tiene que ser ajustadísima para captar la energía de los neutrones y no confundirla con otras señales que puedan interferir con ellos, lo cual no sería de extrañar ya que hay radiactividad natural por todas partes. El proceso, además es extremadamente raro, aunque Gómez confía en contar con suficiente materia como para pillar alguno. "Tenemos cien kilos de xenón para experimentar, o lo que es lo mismo, un número de átomos igual a 5 seguido por 26 ceros. La probabilidad de que se dé el proceso doble beta sin neutrinos es muy baja, pero el número de átomos del que disponemos es tan gigantesca que a alguno le tocará la china. Para que te hagas una idea, es como buscar un grano de arena concreto en la playa de la Malvarrosa".

Solo hay otros dos experimentos en el mundo con características similares al de Canfranc, los tres trabajando con xenón 136 (hay otros basados en otros isótopos). Uno se está llevando a cabo en Japón y el otro en Estados Unidos, liderado por la Universidad de Stanford. Entre ellos existe una competición, amistosa pero implacable, por llegar los primeros. "Esto será un descubrimiento mayor, de Nobel. Ninguno queremos perder el tiempo", asegura. Aunque japoneses y estadounidenses llevan más tiempo trabajando, Gómez cree que tiene una baza ganadora: su tecnología es diez veces más sensible que la de Stanford y cincuenta más que la de Japón. "Ellos ya están saturados de ruido y no han encontrado nada. Nosotros vamos más tarde pero podemos llegar más lejos".

El interior de la cámara, recubierto por cobre ultra-radiopuro para atenuar la radioactividad exterior
El interior de la cámara, recubierto por cobre ultra-radiopuro para atenuar la radioactividad exterior

De momento se encuentran en la segunda fase del experimento, en la que están construyendo un detector mediano, de unos 15 kilos de capacidad, para comprobar que pueden controlar la radiactividad externa que podría interferir con sus resultados. Conseguir financiación no ha sido fácil: "En España tenemos mucho complejo, parece que si una investigación merece la pena la harán los americanos, no nosotros. Aún así, la Secretaría de Estado de Investigación y el CSIC nos han apoyado decididamente". Un proyecto de investigación del programa Consolider-Ingenio para ciencia puntera en 2009 y otro, llamado Advanced Grant, del Consejo de Investigación Europeo en 2011, además de otras ayudas gubernamentales (antes del Ministerio de Ciencia y Tecnología y ahora del de Economía y Competitividad), así como la publicación de sus primeros resultados demostraron la relevancia del proyecto y lo consolidaron en la escena científica internacional.

No será hasta 2017 cuando se ponga en marcha la última fase, y esperan conseguir los primeros resultados para 2018 y quizá un descubrimiento en 2019 o 2020. Pero lo cierto es que este ambicioso experimento llamado a resolver algunos de los misterios del universo que aún no tienen respuesta puede resultar tremendamente útil en otros campos, especialmente en el de la imagen médica. Los equipos que utilizan son los mismos en los que están basados los aparatos que se utilizan para realizar TACs y otras pruebas médicas. Tanto a nivel sensores como software es posible que los desarrollos que se realizan en NEXT puedan trasladarse y todas las mejoras que aplican pueden trasladarse al día a día para hacer esas pruebas más acertadas y eficaces. "A lo mejor invierto en este experimento diez o veinte años de mi vida. Quiero que, mientras tanto, la sociedad se beneficie de mi trabajo".

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