50.000 toneladas de agua y el tamaño de un edificio de 15 plantas: así es el Super-Kamiokande, el súper observatorio de neutrinos

Tener nombre que suena súper robot japonés o algo por el estilo conlleva una gran responsabilidad, y aunque no se trata de algo de eso ni parecido la verdad es que el Super-Kamiokande es una súper estructura (valga la redundancia) con misiones que no son nada corrientes. Nada de ciencia ficción, solamente ciencia es lo que alberga este enorme detector de neutrinos ubicado en Japón.

Concretamente, 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 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.

Un edificio de quince plantas dedicado a estudiar partículas subatómicas

El Super-Kamiokande también se conoce con la abreviatura de Super-K, y hablamos de ella al tratar el tema de la azulada radiación de Cherenkov. En la mina de Mozumi, bajo la ciudad de Hida (en Gifu, Japón) se halla esta estructura de 40 metros de alto por 40 de ancho, más o menos como un edificio de quince pisos, siendo uno de los observatorios más precisos que existen en el mundo.

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Los reactores de las centrales nucleares no están tan enterrados, ¿por qué este observatorio sí? Esto ya lo explicó el famoso astrofísico Neil deGrasse Tyson, cuando hablaba del Super-K y de los neutrinos, comentando que el observatorio está a tanta profundidad para que haya la suficiente distancia para que la tierra no permita el paso de otras partículas.

"La materia no supone ningún obstáculo para el neutrino. Un neutrino podría pasar a través de 100 años luz de acero sin ni siquiera frenar". Neil deGrasse Tyson, astrofísico

Es el sucesor del Kamiokande y Kamiokande II, estructuras que ya eran capaces de observar los neutrinos, pero no lo suficientemente sensibles como para detectar el decaimiento protónico, que ocurre cuando los protones se desintegran fuera del núcleo. Y éste fue precisamente la principal actualización (y motivo) para construir un nuevo Kamiokande, ya que sí podría detectar el decaimiento de protones y neutrinos, provenientes de la atmósfera, el Sol y supernovas en cualquier parte de nuestra galaxia.

Unos operarios realizando tareas de mantenimiento en una balsa sobre el agua del tanque. Imagen: Universidad de Tokio

Un agua tan pura que disuelve el metal

Entonces, ¿cómo encajan los neutrinos, las supernovas, la radiación azulada y tanta agua en todo esto? Precisamente, son los elementos básicos del flujo de trabajo que hay en el Super-K y el objeto de estudio del mismo. Vamos por partes.

El tanque desde un punto de vista superior. Imagen: Universidad de Tokio

Antes ya hemos citado un elemento clave en el proceso: la radiación de Cherenkov. Resumiendo mucho lo que ya desgranamos en su momento, cuando en un reactor se rompen los átomos (fisión) los "trozos" (partículas subatómicas) salen disparados con mucha energía y una velocidad mayor a la de la luz, generando un campo electromagnético y perdiendo energía que se emite como fotones (luz).

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Esta luz se acumula formando un cono (cuyo vértice es el punto donde se unen los frentes de onda), igual como el de la barrera del sonido pero en óptica, y al final este destello da información sobre la dirección y el tipo de neutrino que llega.

¿Dónde está el agua? Rodeando todo eso, en este caso siendo 50.000 toneladas rodeadas por unos 11.000 tubos fotomultiplicadores (detectores de luz muy sensibles, conocidos como PMT, que detectan la luz y la convierten en corriente eléctrica para que pueda ser observada). Su función es la de refrigerar, de modo que los núcleos sean más estables y fáciles de controlar, además de ser el medio que hace que otras partículas sean más rápidas que los fotones (en este caso, lo que se proyecta tras la fisión).

Detalle de los tubos. Imagen: Universidad de Tokio

Un operario preparando uno de los tubos para su instalación. Imagen: Universidad de Tokio

Así, lo que observan los investigadores es la radiación de Cherenkov que producen los neutrinos al pasar por el agua. De hecho, este agua también es bastante particular porque es pura, muy pura.

Siempre nos han dicho que beber agua destilada (es decir, H₂O sin nada más) no es bueno y así es, pero este agua ultrapura aún es "peor" al tener las características tanto de un ácido como de un alcalino, pudiendo llegar a disolver metales. ¿Por qué este agua tan, tan limpia? Porque para que los destellos de las ondas de choque lleguen a esos sensores el agua ha de estar pulcra al máximo (lo cual se consigue purificándola constantemente con luz ultravioleta, que evita cualquier presencia bacteriana).

Así se preparan para entrar en el tanque. Imagen: Universidad de Tokio

Así, en el experimento T2K, por ejemplo, se dispara un rayo de neutrinos desde Tokay a Kamioka (al Súper-K), que recorre así 295 kilómetros. Con él se lograron observar por primera vez las oscilaciones de los neutrinos (más o menos, los cambios que sufren al atravesar la materia), lo cual puede dar pistas de cómo es la relación entre materia y antimateria.

Las "puntas abiertas" y otras curiosidades del trabajo en el Super-K

En Business Insider pudieron entrevistar a tres de los científicos que trabajan en el Super-K y éstos explicaron tanto su objetivo como los riesgos de trabajar en unas instalaciones tan especiales. Aunque las partículas que detectan y estudian son ínfimas, como decíamos al principio las miradas en realidad están más en el cosmos.

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.

Imagen: Universidad de Tokio

El doctor Yoshi Uchida (del Imperial College de Londres) lo explicaba con un ejemplo práctico: en el caso de que una supernova colapse sobre sí misma y se convierta en un agujero negro, el Super-K sería uno de los pocos lugares de nuestro planeta "en el que se podría apreciar todo el amalgama de neutrinos que se desprenden" de éste y otros sucesos similares.

Añade Uchida que se calcula que hay explosiones de supernova cada 30 años, con lo que perderse una de éstas supone esperar varias décadas hasta poder observar otra. El doctor Morgan Wascko (de la misma universidad) resalta que el estudio de neutrinos es una de las posibles vías para intentar descubrir qué pasó con la antimateria tras el Big Bang, ya que los modelos actuales predicen que la materia y la antimateria pudieron crearse a partes iguales en esta gran explosión.

El Dr. Matthew Malek tuvo unos centímetros de su pelo sumergidos un buen rato en el agua ultrapura y ésta acabó extrayendo todos los nutrientes de su cabello, llegando a su cuero cabelludo y ocasionándole un picor terrible

En cuanto a los riesgos, el doctor Matthew Malek cuenta una anécdota bastante particular. Uchida comentaba que el agua ultrapura es un excelente exfoliante y no lo decía en vano, dado que Malek tuvo unos centímetros de su pelo sumergidos un buen rato y este agua había acabado extrayendo todos los nutrientes de su cabello, llegando a su cuero cabelludo y ocasionándole un picor agudísimo.

Introduciendo la balsa en el tanque. Imagen: Universidad de Tokio

Evidentemente no fue algo voluntario. Una de las tareas de mantenimiento requiere que los investigadores vayan en balsas (como ésa en la que veíamos a deGrasse) y por un fallo del mecanismo de acceso en una ocasión tuvieron que quedarse en ella unas horas. Al recostarse sobre la balsa, su pelo tocó el agua.

"Me desperté a las tres de la mañana con uno de los picores más desagradables que he tenido nunca en el pelo. Picaba más que cuando de niño tenía varicela. Tenía tanto picor que no pude dormir." Dr Matthew Malek

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: 2026, así que veremos si en seis años asistimos a otra gran inauguración para la ciencia y la ingeniería.