Para muchos desconocido, el Laboratorio Subterráneo de Canfranc nos abre sus puertas a través de su director, Alessandro Bettini, para explicarnos que misterios se investigan en estas instalaciones subterráneas situadas bajo los pirineos.
Un laboratorio subterráneo de primeras, ya suena algo misterioso, a grandes rasgos, ¿cuáles son sus líneas de trabajo?
Los físicos han desarrollado una descripción teórica de los constituyentes elementales de la materia y de las fuerzas básicas de la Naturaleza, el Modelo Estándar, la teoría más completa jamás construida, probada con alta precisión en energías de hasta unos cuantos cientos de veces más de la masa del protón y distancias de hasta 10.000 veces más pequeñas que el radio del protón.
Un nuevo acelerador, el LHC, está funcionando a mayores energías en el CERN. Pero ya sabemos que ni este, ni cualquier otro acelerador del futuro, serán suficientes. Las razones son las siguientes: tres de las fuerzas básicas de la Naturaleza, fuerte, electromagnética y débil, parecen igualarse en altas energías. Aún es más alta la energía del Big Bang. Por desgracia estas escalas de energía son tan altas que nunca seremos capaces de alcanzarlas con un acelerador. Necesitamos encontrar otra forma de hacerlo. Fenómenos que se caractericen por ocurrir en una escala alta de energía aparecen también de hecho energías, mundanas, más bajas, pero cuanta más alta es su escala de energía intrínseca, más inusual es que aparezcan.
El LSC se dedica a la búsqueda de estos fenómenos naturales, aunque extremadamente inusuales, nucleares y sub-nucleares. Dicha búsqueda necesita de un ambiente de muy bajo fondo radioactivo. Utilizando una analogía, podemos ver las estrellas durante la noche pero no así durante el día aunque estén brillando. La luz de las estrellas es mucho más débil que la luz del sol. Para poder ver una débil señal luminosa de una estrella necesitamos oscuridad, la ausencia del fuerte “fondo” de la luz del sol. No podemos detectar las señales de procesos nucleares extraños, como aquellos que nos muestran la naturaleza de los neutrinos o la presencia de materia oscura, debido al alto fondo de radiactividad natural. Este “ruido de fondo” se debe a los rayos cósmicos, que caen en la superficie de la tierra, y a decaimientos de los núcleos radioactivos presentes en el medioambiente. Muy por debajo de la superficie, bajo los Pirineos, el flujo de rayos cósmicos se reduce en un factor de cien mil y la radioactividad medioambiental es de 100 a 1000 veces menor que en la superficie
Hay otras disciplinas que también se pueden beneficiar del ambiente único de las infraestructuras subterráneas. Tal y como las ciencias de la Tierra, las ciencias medioambientales y la biología.
¿Por qué en Canfranc? ¿Qué características favorables presenta su ubicación?
Un laboratorio subterráneo requiere un número de salas experimentales y un túnel de acceso. El coste de este último, que suele medir unos pocos kilómetros de largo, es mayor que el de las salas. El proyecto del LSC desarrollado por A. Morales se benefició de la excavación del túnel de Somport y de la existencia del antiguo túnel ferroviario paralelo al anterior. Estos túneles facilitan el acceso y la salida. El Monte Tobazo proporciona un blindaje natural que es suficiente para muchos experimentos, aunque no sea tan grande como bajo los Alpes o los Apeninos.
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| Maqueta del experimento NEXT |
¿Qué experimentos están planificados en el LSC y cual es su estado actual en este momento?
El LSC consta de las instalaciones subterráneas, que se encuentran disponibles desde el 30 de Junio del 2010, y un edificio externo en el que se ubica su sede con servicios de apoyo y administración que fue completado en Enero del 2011. Un “experimento” en una instalación subterránea es una estructura complicada, similar a un observatorio. Son necesarios varios años de I+D, unos cuantos años para su construcción y muchos años de toma de datos. Las líneas del programa científico que estamos desarrollando en este momento son: la búsqueda de la “materia oscura”, la física y astrofísica de los neutrinos, el estudio de la tierra desde debajo de su superficie, el estudio de parámetros medioambientales y, a más largo plazo, la astrofísica nuclear y el estudio de la vida en condiciones extremas, la “vida oscura”.
¿Por qué precisa el estudio de los neutrinos de un laboratorio subterráneo?
Los neutrinos son difíciles de estudiar puesto que interactúan muy raras veces con nuestros detectores. Su estudio necesita de experimentos complementarios en aceleradores (como el CERN), en reactores nucleares y bajo tierra. Los neutrinos siempre nos han dado sorpresas, comportándose de manera diferente a lo previsto según las teorías. En particular, los neutrinos pueden ser la única partícula conocida que sea además su propia antipartícula. En este caso se la denomina como una partícula de Majorana. Si esto es así, algunos núcleos pueden sufrir un tipo inusual de desintegración extremadamente raro, la desintegración doble beta sin neutrinos. Su vida media es del orden de billones de billones de años. Realmente muy inusuales.
La competición a nivel mundial es extremadamente alta. Nosotros estamos desarrollando un experimento de clase mundial, NEXT, que utilizará una “cámara de proyección del tiempo” presurizada (TPC, en inglés: “time projection chamber”) rellenada con gas Xenon enriquecido en su isótopo 136, el cual es el “doble-beta activo”. NEXT será el experimento más comprometido en el LSC. Implica una larga colaboración internacional, liderada por J. J. Gomez Cadenas (Valencia) e incluyendo, entre otros, al creador del TPC.
En el marco de la colaboración entre laboratorios subterráneos, el LSC también ostenta actividades de I+D: BiPo, ligado al proyecto SuperNEMO que es una propuesta para una posible ampliación del laboratorio de Modane en Francia y SuperKGD, I+D para el Observatorio Kamioka en Japón, liderado por L. Labarga (Madrid).
Se dedican ni más ni menos que a la detección de la Materia Oscura del Universo, cuando menos, vuelve a parecer fascinante, pero quizás también algo etéreo para aquellas personas que desconozcan de qué trata esto, ¿Qué es la materia oscura? ¿Cuáles son los objetivos de estos hallazgos? ¿Existe un objetivo final único?
La cosmología ha hecho enormes progresos en las últimas décadas. Ahora conocemos el balance de la masa-energía del Universo. También hemos aprendido que la suma de las partículas conocidas – núcleos, electrones, protones y neutrinos – forma únicamente el 5% del total de esta energía. El 25% es “materia oscura” el 70% esta formado por la todavía más misteriosa “energía oscura”.
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| Instalación del experimento ArDM |
¿Cómo sabemos que la materia oscura existe y es tan abundante? No podemos ver la materia oscura – “materia invisible” seria un nombre mas apropiado – ya que ni produce ni absorbe luz. Sin embargo, podemos ver su acción gravitacional. Por ejemplo, las galaxias, sistemas de cientos de miles de millones de estrellas, rotan sobre sus ejes y podemos medir las velocidades de las estrellas más y más lejanas a los ejes. Los planetas giran alrededor del sol en una orbita fija, debido a la acción gravitacional del Sol. Pero para poder mantenerse en esa orbita tienen que moverse a la velocidad adecuada, no demasiado deprisa. Igualmente, por ejemplo una estrella en la periferia de la galaxia, gira entorno a la acción de la atracción gravitacional de la misma galaxia. Pero las velocidades de esas estrellas son demasiado altas para ser mantenidas en sus orbitas por la masa de la galaxia que podemos ver, la que produce luz. La galaxia debe contener materia invisible, oscura que es mucho mas grande que la que podemos ver. Hay muchas otras pruebas independientes que conducen a esta misma conclusión.
En conclusión, la materia oscura es el mayor componente de la materia que forma el Universo y no esta hecha de las partículas que conocemos. ¿Qué es? No lo sabemos. Estamos intentando llegar a esta respuesta mediante diferentes líneas de ataque complementarias. En los laboratorios subterráneos construimos detectores en los cuales, aún de manera muy inusual, una partícula oscura pueda golpear un núcleo y transmitir una fracción de su energía y tratar de detectar la diminuta energía del retroceso del núcleo. Los experimentos que se están desarrollando en el LSC son ANAIS, basado en una técnica de centelleadores híper puros, liderado por J. A. Villar (Zaragoza) y ArDM basado en una técnica de una cámara de proyección del tiempo (TPC) con Argón liquido, liderado por A. Rubbia (ETH Zurich).
La masa de las partículas oscuras debe ser tan grande que no pueden ser producidas por un acelerador de las anteriores generaciones. De ser así ya las habríamos encontrado. La nueva máquina LHC del CERN, con su energía sin precedentes, está buscando partículas neutras que puedan ser candidatas para la materia oscura. Una tercera línea de ataque complementaria es buscar señales indirectas de partículas oscuras a través de telescopios gamma, tal y como el MAGIC en La Palma.
Una vez más, dentro del marco de colaboración entre laboratorios subterráneos, ROSEBUD, basado en detectores criogénicos, liderado por E. García (Zaragoza), es un programa de I+D dentro del proyecto EUREKA propuesto por el laboratorio de Modane.
Leemos en la página web del LSC que tienen previsto implementar un sistema de vigilancia de movimientos sísmicos, ¿está ya en funcionamiento? ¿nos permitirá prever posibles terremotos y/o tiene otras utilidades?
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| Uno de los interferómetros |
Este es el observatorio GEODYN, que se encuentra ya instalado y midiendo continuamente. Efectivamente, el LSC puede también ofrecer a la geociencia la oportunidad de observar fenómenos geodinámicos desde un punto de vista único, no desde la superficie sino desde bajo la superficie. Los componentes principales son sismómetros de banda ancha y dos interferómetros láser. Estos últimos, de 70 m de largo cada uno, miden variaciones que alcanzan hasta unos pocos nanómetros. Se están estudiando los efectos del movimiento de la Luna (Mareas Terrestres), de las olas del Océano (en la roca de su fondo a 200 km de distancia), de la carga y descarga de un acuífero, etc. El observatorio está integrado en las redes sísmicas españolas y europeas.
GEODYN contribuirá de manera importante a la ciencia de la Tierra. Sin embargo, la predicción de terremotos es y será imposible. Por el contrario, se está haciendo un gran progreso en la evaluación de los “riesgos sísmicos”, es decir, la probabilidad de que un terremoto de una magnitud determinada se produzca en una localización determinada dentro de un número concreto de años. Basándose en esto, las autoridades definen cada vez mejores normas y regulaciones para estructuras civiles y mecánicas.
¿Los avances y/o descubrimientos que va obteniendo el LSC pueden tener aplicaciones prácticas para el ciudadano o están más dirigidos a la comunidad científica?
La finalidad de los experimentos del LSC es avanzar en nuestro conocimiento de las leyes fundamentales de la naturaleza. Por ejemplo, el descubrimiento de la materia oscura o que los neutrinos y antineutrinos son la misma partícula tendría una enorme importancia para la ciencia, pero ninguna aplicación práctica previsible. Sin embargo, la investigación fronteriza requiere de técnicas fronterizas, como, por ejemplo, las técnicas de medición de ultra-bajo fondo, que son útiles para otros campos como datación, análisis medioambiental, etc.
A muchas empresas les cuesta dar el paso de ponerse a investigar, ya sea por su cuenta o mediante la colaboración de entidades especializadas, ¿qué mensaje les enviaría para animarles a invertir en investigación?
La investigación básica, impulsada por la curiosidad, es de fundamental importancia por razones culturales pero también para el desarrollo en sí. El progreso de la humanidad durante los últimos cuatro siglos, desde que Galileo descubriese el método experimental, ha sido mucho mayor que el de los milenios anteriores. La mecánica cuántica está formulada como un conjunto de ecuaciones diferenciales, pero estas formulas matemáticas en conjunto con experimentos impulsados por la curiosidad, produjo el transistor, el microprocesador, el láser, el LED, el plástico, etc. La relatividad general se usa todos los días por los sistemas GPS como guía para aviones y barcos. Experimentos de la magnitud de aquellos que se llevan a cabo en el CERN requieren de un amplio número de Instituciones colaboradoras y de personas a lo largo de todo el mundo que necesitan de estructuras de comunicaciones fáciles y rápidas, lo cual originó las WWW.
La investigación fundamental está financiada casi en su totalidad por los Gobiernos, siendo demasiado costosa y, aún más importante, requiere demasiado tiempo para el “time to market” (tiempo en el mercado). Sin embargo, invertir en investigación competitiva y pre-competitiva es vital para el sector privado como única vía para garantizar un desarrollo estable (como en la practica la producción del transistor, el microprocesador, el láser…). En este marco, invertir en la colaboración con centros de investigación básicos como las Universidades y los Centros de Investigación es de gran importancia.
Algún estudiante se preguntará, ¿qué hay que hacer para trabajar en un sitio como ese? ¿qué tipo de perfiles científicos trabajan en el LSC?
El LSC es muy pequeño y tiene poco personal, dedicado plenamente al servicio de los usuarios. Los usuarios, incluyendo los estudiantes, son en su mayoría físicos, pero también geólogos u otro tipo de científicos, que están ubicados en las Universidades y Centros de Investigación.
Estamos abiertos al público y todo aquel que desee visitar nuestras instalaciones puede realizar una solicitud de visita a través de nuestra página web.
Agradeciendo habernos concedido esta entrevista y para terminar, ¿alguna anécdota curiosa acerca del laboratorio?
Es bien conocida la fijación que tienen los franceses por la edad de las botellas de vino, es decir, saber exactamente el año de una botella determinada. Los precios pueden variar mucho en función del año y uno no puede excluir que algunas veces el año que indica la etiqueta puede no corresponderse con la realidad. Claramente, un buen catador puede identificar (o pretender hacerlo) el año al catar el vino. Pero, la cata implica el abrir la botella. El laboratorio subterráneo de Modane desarrolló hace años un protocolo de control sin tener que abrir la botella. Las pruebas nucleares realizadas en la atmosfera durante el pasado siglo produjeron un número de núcleos inestables. Parte de ellos fueron traídos por la lluvia a la tierra y de ella a las uvas. Las cantidades de núcleos inestables variaron de un año a otro, debido a su desintegración y a la producción de nuevos núcleos derivados de nuevas pruebas, de manera calculable. Una vez en la botella, los núcleos producen rayos gamma característicos en muy pequeñas trazas que traspasan el vidrio fácilmente, estas trazas pueden ser medidas por los detectores subterráneos.
¿Fue Napoleón asesinado envenenado con arsénico tal y como reclaman algunos historiadores? Un grupo de investigación en Italia pudo obtener unos pelos del mismísimo Napoleón y, para realizar una comparativa, de personas que vivían con él en Santa Helena. Se buscaron trazas de arsénico en ambas muestras, utilizando las técnicas utilizadas en el Laboratorio Subterráneo de Gran Sasso. Se encontraron, efectivamente, en ambas muestras, pero en niveles tan bajos que no los hacían mortales.
