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50.000 toneladas de agua y el tamaño de un edificio de 15 plantas: así es Super-Kamiokande, el mega observatorio de neutrinos.
Tener nombre que suena a súper robot japonés o parecer el sueño de un supervillano conlleva una gran responsabilidad, La realidad es que el Super-Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment), es una estructura que nada tiene de ciencia ficción, solamente ciencia es lo que alberga este enorme detector de neutrinos ubicado en Japón.
Este peculiar observatorio se halla en el monte Ikeno, enterrado a un kilómetro de profundidad. Peculiar porque lo que detecta esta estructura son los neutrinos, unas partículas subatómicas con una masa tan pequeña que son capaces de atravesar la materia sólida como si fuera aire y que las hace muy difíciles de detectar, aunque la aplicación final de su estudio puede abarcar conocer mejor las estrellas y, al fin y al cabo, el universo.
En 1987, la explosión de una estrella gigantesca creó un espectáculo de luces brillante en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia satélite que orbita la Vía Láctea. El cataclismo, también conocido como supernova, fue visible desde telescopios en la Tierra.
Pero antes de que la luz de la explosión estelar llegara a nuestro planeta, tres observatorios, incluido el observatorio de neutrinos Kamiokande en Japón, captaron señales de otro tipo de partículas producidas en la explosión: los neutrinos.
Las partículas de neutrinos, aunque esquivas, se llevan casi toda la energía liberada por estas estrellas en explosión. Al examinarlas, los físicos pueden comprender mejor las propiedades de los neutrinos y estudiar el funcionamiento interno de las supernovas.
Japón lidera la investigación sobre neutrinos
Si nunca había oído nombrar la investigación sobre neutrinos, es con la que los destacados científicos japoneses Koshiba Masatoshi y Kajita Takaaki ganaron el Nobel de física. El profesor Koshiba consiguió observar los neutrinos en la explosión de una supernova con el Kamiokande en 1987, y alcanzó la fama mundial al recibir el premio Nobel de Física en 2002. Su trabajo tuvo tales repercusiones que motivó la construcción del Super-Kamiokande, un observatorio 25 veces más grande que su predecesor cuyas observaciones se iniciaron en 1996. El posterior descubrimiento de que los neutrinos vibran y, por ende, tienen masa, fue lo que valió el Nobel al profesor Kajita en 2015. Como atestiguan estos logros, la investigación de neutrinos en Japón ha obtenido resultados muy notables.
Los neutrinos son las partículas más esquivas de la naturaleza. Fueron descriptos por primera vez desde un punto de vista teórico en la década de los ’30 por Wolfgang Pauli, uno de los padres de la Física Cuántica (le debemos, entre otras aportaciones, el conocido como Principio de exclusión). Sin embargo, su descubrimiento experimental se produjo dos décadas y media más tarde, a mediados de los años ’50.
Los científicos suelen ilustrar lo difícil que es capturar un neutrino explicando que cada segundo varios trillones de estas partículas atraviesan tanto la Tierra como a nosotros sin colisionar con ninguna otra partícula.También se puede ilustrar lo esquivos que son recurriendo a la mecánica cuántica, que asegura que sería necesario fabricar una plancha de plomo con un espesor de un año luz (9,46 × 1012 km) para conseguir que la mitad de los neutrinos que la atraviesan colisione con las partículas del bloque de plomo. Sin embargo, a pesar de lo escurridizos que son, tenemos varios observatorios que son capaces de detectarlos. Uno de ellos es el auténtico protagonista de este artículo.
Un edificio de quince plantas dedicado a estudiar partículas subatómicas
Super-K, que es como se conoce habitualmente al Super-Kamiokande japonés, es una auténtica mole. Este observatorio está situado en Hida, una ciudad ubicada en el área central de Honshu, la mayor isla del archipiélago japonés. Está construido en una mina, a 1 km de profundidad, y mide 40 metros de alto y otros 40 metros de ancho.
Estudiar los neutrinos permite entender mejor elementos tan gigantescos como las supernovas, y al final poder comprender mejor de qué se compone el universo. Estando atentos a los neutrinos podemos detectar estrellas que están a punto de colapsar (de «morir»), permitiendo así que este proceso se estudie bien y esperando que esto ayude a comprender cómo es el universo, qué acontece en el y cómo.
_ El detector de neutrinos Super-Kamiokande es un experimento de física del tamaño de un edificio de 15 pisos, enterrado bajo una montaña en Japón.
_ Los neutrinos son partículas subatómicas que pasan a través de nosotros todo el tiempo, y estudiarlos puede informarnos sobre las supernovas y la composición del universo.
_ Super-Kamiokande apareció en la portada de la revista Nature en abril de 2020 después de que el detector desempeñara un papel vital en un artículo que examinaba la relación entre la materia y la antimateria.
_ El detector está lleno de agua ultrapura, que puede extraer los nutrientes del cabello y disolver el metal.
Viendo el mundo subatómico
Los neutrinos pueden ser muy difíciles de detectar, tanto que Neil deGrasse Tyson los denominó «la presa más esquiva del cosmos». En este vídeo, explica que la cámara de detección está enterrada en las profundidades de la Tierra para impedir que entren otras partículas.
«La materia no supone ningún obstáculo para un neutrino», afirma. «Un neutrino podría atravesar cien años luz de acero sin siquiera disminuir su velocidad».
Pero ¿por qué capturarlos?
«Si hay una supernova, una estrella que colapsa sobre sí misma y se convierte en un agujero negro», dijo a Business Insider el Dr. Yoshi Uchida del Imperial College de Londres. «Si eso sucede en nuestra galaxia, algo como Super-K es uno de los pocos objetos que pueden ver los neutrinos que emite».
Antes de que una estrella comience a colapsar, emite neutrinos, por lo que Super-K actúa como una especie de sistema de alerta temprana, que nos indica cuándo debemos estar atentos a estos deslumbrantes eventos cósmicos.
«Los cálculos aproximados indican que una supernova explotará aproximadamente una vez cada 30 años en el rango que pueden detectar nuestros detectores», dijo el Dr. Uchida. «Si se pierde una, habrá que esperar otras décadas en promedio para ver la siguiente».
Disparos de neutrinos a través de Japón
Super-K no solo atrapa los neutrinos que llueven desde el espacio.
Situado en el lado opuesto de Japón, en Tokai, el experimento T2K dispara un haz de neutrinos a 295 km a través de la Tierra para ser recogido en Super-K, en el lado oeste del país.
Estudiar la forma en que los neutrinos cambian (u «oscilan») a medida que pasan a través de la materia puede decirnos más sobre los orígenes del universo.
En abril de 2020, Super-Kamiokande apareció en la portada de la revista Nature tras un gran avance en el uso del detector que acercó a los investigadores a la comprensión de la relación entre la materia y la antimateria.
«Nuestros modelos del Big Bang predicen que la materia y la antimateria deberían haber sido creadas en partes iguales», dijo el Dr. Morgan Wascko del Imperial College a Business Insider, «pero ahora [la mayor parte de] la antimateria ha desaparecido de una forma u otra».
Los investigadores lanzaron neutrinos y antineutrinos a Super-Kamiokande para estudiar cómo oscilaban. Según el Imperial College, los hallazgos de los investigadores proporcionan la «evidencia más sólida hasta ahora» de que la materia y la antimateria se comportan de manera diferente, lo que explica por qué ambas no se aniquilaron inmediatamente entre sí al comienzo del universo.
«Este resultado nos acerca más que nunca a responder la pregunta fundamental de por qué existe la materia en nuestro universo. Si se confirma -por el momento estamos más del 95 por ciento seguros- tendrá profundas implicaciones para la física y debería señalar el camino hacia una mejor comprensión de cómo evolucionó nuestro universo», dijo el Dr. Patrick Dunne , físico del Imperial College.
El enorme tanque contiene 50.000 toneladas de agua ultrapura. Esto se debe a que, al viajar a través del agua, los neutrinos son más rápidos que la luz. Por lo tanto, cuando un neutrino viaja a través del agua, «producirá luz de la misma manera que Concord solía producir explosiones sónicas», dijo el Dr. Uchida. El agua posee una pureza extrema y está rodeada por 11.000 tubos fotomultiplicadores, que, sin entrar en detalles complejos, son los sensores que permiten «ver» los neutrinos. Lo que realmente somos capaces de observar es la radiación Cherenkov que generan los neutrinos al pasar por el agua.
«Si un avión va muy rápido, más rápido que la velocidad del sonido, entonces producirá un sonido (una gran onda expansiva) de una manera que un objeto más lento no produce. De la misma manera, una partícula que pasa a través del agua, si va más rápido que la velocidad de la luz en el agua, también puede producir una onda expansiva de luz».
La cámara está revestida con 11.000 bombillas de color dorado, detectores de luz increíblemente sensibles llamados tubos fotomultiplicadores (PMT), que pueden captar estas ondas de choque.
El Dr. Wascko los describe como «lo inverso de una bombilla»: en pocas palabras, pueden detectar cantidades minúsculas de luz y convertirlas en una corriente eléctrica, que luego puede observarse.
Agua terriblemente pura
Para que la luz de estas ondas de choque llegue a los sensores, el agua tiene que estar más limpia de lo que puedas imaginar. Super-K la filtra y purifica constantemente, e incluso la bombardea con luz ultravioleta para eliminar cualquier bacteria.
Lo cual en realidad lo hace bastante espeluznante.
«El agua ultrapura está esperando a que se disuelvan las sustancias», dijo el Dr. Uchida. «El agua pura es una sustancia muy, muy desagradable. Tiene las características de un ácido y un alcalino».
«Si te sumerges en esta agua ultra pura Super-K, te exfolias bastante», afirma el Dr. Wascko.
Cuando Super-K necesita mantenimiento, los investigadores deben salir en botes inflables para reparar y reemplazar los sensores.
El Dr. Matthew Malek, de la Universidad de Sheffield, y otras dos personas realizaban tareas de mantenimiento desde un bote cuando él era estudiante de doctorado.
Al final de la jornada de trabajo, la góndola que normalmente lleva a los físicos dentro y fuera del tanque se rompió, por lo que él y otros dos tuvieron que esperar un rato. Se relajaron en sus botes y charlaron un rato.
«Lo que no me di cuenta, mientras estábamos recostados en estos botes y conversamos, es que un poco de mi cabello, probablemente no más de tres centímetros, estaba sumergido en el agua», dijo Malek a Business Insider.
Mientras estaban drenando el agua del Super-K, Malek no se preocupó por contaminarla. Pero cuando se despertó a las 3 de la mañana del día siguiente, tuvo una terrible revelación.
«Me levanté a las tres de la mañana con el picor más intenso que he tenido en mi vida», dijo. «Me picaba más que cuando tuve varicela de niño. Me picaba tanto que no podía dormir».
Se dio cuenta de que el agua había extraído los nutrientes de su cabello a través de las puntas y que esa deficiencia de nutrientes se había extendido hasta el cuero cabelludo. Rápidamente se metió en la ducha y pasó media hora acondicionando vigorosamente su cabello.
Otra historia la cuenta el Dr. Wascko, quien escuchó que en el año 2000, cuando el tanque se vació por completo, los investigadores encontraron la silueta de una llave inglesa en el fondo. «Aparentemente, alguien había dejado una llave inglesa allí cuando lo llenaron en 1995», dijo. «Cuando lo vaciaron en el año 2000, la llave se había disuelto».
Súper-K 2.0
Pero ojo, que el Super-K no tardará demasiado a tener sucesor, dado que Wascko confirmaba que se está trabajando en un tanque aún mayor, que por la ley de los prefijos se llamará Hiper-Kamiokande y será 20 veces más grande que el Super-K, con 99.000 tubos fotomultiplicadores.
La fecha aproximada: 2027, así que veremos si en los próximos años asistimos a otra gran inauguración para la ciencia y la ingeniería. La construcción se inició en mayo de 2021 con la excavación del túnel de acceso al espacio experimental.
Fuentes: Business insider, Nippon.com.es, Super k, Simmetry mag
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