El proyecto que busca el origen del universo bajo una montaña en un pueblo de los Pirineos

Era un buen día para estar bajo tierra. Canfranc, un pueblo de 612 habitantes del Pirineo aragonés, amaneció triste, el color de sus edificios apagado por nubes impenetrables, densas, los vecinos recluidos en sus casas, casi ningún turista en las calles y un frío de esos que cortan los labios del que respira. Días como estos hacen que uno, más que nunca, se pregunte: ¿por qué estamos aquí? En el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), a pocos kilómetros de la frontera con Francia, un equipo internacional de científicos está intentando conseguir, aunque sea, parte de la respuesta a esa pregunta que ha obsesionado al ser humano desde el origen de los tiempos.

Son las 10.30 de la mañana. Carlos Peña, el director del LSC, termina su reunión en las oficinas del centro de investigación — un edificio gris, de líneas rectas que contrastan con las montañas que tiene de fondo—, se enfunda un abrigo de trabajo amarillo fosforito y se monta en la furgoneta. De camino al laboratorio, Peña intenta explicar el experimento más importante en marcha. “La pregunta fundamental es: ¿por qué la naturaleza ha elegido la materia en vez de la antimateria?”. Para entender la aportación del LSC a la respuesta, hay que explicar antes un par de cosas.

El universo conocido —las estrellas, los planetas, las flores y el aire— está hecho de átomos, y estos se componen de tres partículas fundamentales: protones, neutrones y electrones. Estas tres partículas son materia, es decir, tienen también un contrario: su antipartícula. La del electrón es el positrón, que tiene carga positiva, en vez de la carga negativa del electrón. Pero hay otra partícula que tiene fascinados a los científicos: los neutrinos. Es quizá la más especial de todas: existe en abundancia en el universo, pero apenas interactúa con la materia, no tiene carga negativa o positiva (como protones y electrones) y atraviesan la Tierra casi sin ser detectados.

Su característica más interesante es que son neutros, es decir, que pueden ser materia y antimateria al mismo tiempo. Peña lo explica: “En la descripción de la naturaleza que nos da la mecánica cuántica, cuando una cosa no se distingue de otra, es las dos cosas a la vez. Por eso creemos que el neutrino es materia y antimateria”. Como el neutrino no tiene carga ni estructura interna, su versión de antimateria (el antineutrino) debería ser idéntica a él. Esto es esencial para entender el experimento del LSC.

Peña se mete en el túnel de Somport, que conecta España con Francia, y avanza por una desviación interior hasta llegar a una gran puerta blanca: Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Tiene el tamaño de una nave industrial, fue inaugurado en el 2006 y solo hay tres laboratorios parecidos en Europa, además de en Estados Unidos, Canadá, Corea y Japón. Este El LSC está conformado por varias salas, y en cada una de ellas se hacen experimentos diferentes: unos intentan detectar wimps (un posible tipo de materia oscura), otros buscan axiones (posibles partículas de materia oscura), y un laboratorio de biología estudia cómo afecta la baja radiación cósmica a organismos vivos.

Encima del LSC, la estación de esquí de Candanchú, 800 metros de tierra esenciales para el buen funcionamiento de los detectores que están alojados en el laboratorio. Aquí, sus finísimos detectores de partículas están casi aislados del ruido del universo, los rayos cósmicos: partículas de alta energía que vienen del Sol, de supernovas y de otras galaxias. Cuando estos rayos chocan con la atmósfera generan una lluvia de partículas secundarias que atraviesan la superficie. La montaña es un escudo natural contra esas partículas no deseadas.

“Si llegara hasta aquí ese ruido cósmico, no nos dejaría ver los fenómenos tan improbables que intentamos detectar aquí”, explica Peña. Los neutrinos, sin embargo, atraviesan sin complicaciones la montaña hasta el gigantesco detector que han instalado en el LSC. Es la sala más grande. No hace frío. “Aquí hay 18 grados, frente a los ocho a los que está la montaña que hay ahí fuera”, dice Peña.

El sitio es grande como una nave en un polígono industrial. Dos operarios se mueven por el espacio tocando cosas, mientras Peña charla brevemente con un tercero, un científico que ha venido a dar instrucciones y a revisar el desarrollo del proyecto. En el día a día, trabajan aquí unas 30 personas, aunque el equipo total asciende a cerca de 300 investigadores que operan en remoto desde distintas partes del mundo.

En el espacio principal, una sala acristalada a la que no se puede acceder, y dentro, una versión pequeña de la máquina con la que pretenden capturar ese fenómeno que solo ha sido teorizado y que les permitiría dar un paso hacia la explicación del origen del universo —o más bien, de nuestra existencia en el universo—. El experimento forma es el proyecto NEXT, una colaboración internacional liderada desde España que ya suma más de 130 investigadores.

Peña vuelve a los neutrinos. La física cuántica ha calculado —“creemos”, dice Peña— que el neutrino es materia y antimateria a la vez, “y que solo cuando lo detectamos se convierte en una de las dos. Antes de hacerlo es las dos cosas a la vez”. ¿Y de qué sirve esto para explicar el origen del universo? La respuesta final está cerca.

Pero hay un pequeño problema: el universo debería ser puro vacío. Las leyes de la física dicen que en el Big Bang se creó la misma cantidad de materia y antimateria. Esto no ha sido así porque existimos, y ahí reside una de las grandes incógnitas que intenta resolver la física cuántica. Cuando una partícula de materia (un electrón) se junta con su partícula de antimateria (un positrón), se aniquilan mutuamente, dejando solo energía (es decir, luz). Si todo hubiera sido perfectamente simétrico, el universo no debería existir. Las matemáticas dicen que no debería haber galaxias, estrellas, planetas o personas. Solo luz. Pero aquí estamos. “La mayor parte del universo es luz, nosotros solo somos tres partes por cada 10.000 millones”, explica Peña.

¿Qué significa eso? Que algo rompió esa simetría perfecta y quedó un exceso de materia. “La materia ganó por un poco”. Los físicos no saben por qué, y creen que el neutrino tiene la respuesta. “Esa especie de espía, que puede hablar con la materia y la antimateria, hizo que la aniquilación no fuese perfecta, y que ganase finalmente la materia”, dice, fascinado pese a la de veces que ha explicado esto a los visitantes.

“Lo que estamos intentando demostrar aquí es que el neutrino es al mismo tiempo materia y antimateria”, cuenta frente al detector que llevan años desarrollando. Esperamos que sea la versión anterior a la versión definitiva, que podrá detectar esta interacción (dos neutrinos aniquilándose entre ellos) una vez cada año. Ya tienen el contenedor, un tanque de casi cinco metros de alto.

En él meterán la tecnología que se encuentra ahora en uno más pequeño (de unos dos metros de largo) que tienen instalado. ¿Por qué no se puede detectar esa interacción con ese? “Porque, según nuestros cálculos, solo se podría detectar una vez cada cien años, con un detector de este tamaño”, explica Peña.

El siguiente experimento vital para la física se está desarrollando en Japón e intenta demostrar la otra parte teorizada de esta explicación del origen del universo: que cuando se aniquilan dos neutrinos, queda un resto de materia. Ese experimento tendrá resultados para 2030. Con el de Canfranc habrá que esperar hasta 2035 para saber si los neutrinos pueden ser, efectivamente, materia y antimateria. “Es una respuesta esencial. Nos permitiría saber de dónde venimos, de dónde vienen las piezas que nos componen. Sabríamos el mecanismo por el que ganaron los protones, neutrones, electrones”, sentencia Peña.

La salida del laboratorio es diferente a la entrada. Peña se sube a la furgoneta y dice: “Vamos a salir por el túnel de ferrocarril”. Aquí está el origen del LSC: un túnel, construido en 1928 para conectar España y Francia, que quedó en desuso en 1970 tras el derrumbe de un puente en el lado francés. El físico Ángel Morales, catedrático de la Universidad de Zaragoza, y su equipo, armados con detectores rudimentarios y una gran dosis de ingenio, llegaron al túnel en una furgoneta hacia 1985. Le pusieron ruedas de ferrocarril al vehículo para que pudiera moverse sobre las vías del tren. Transportaban un pequeño laboratorio móvil y recorrían el túnel analizando sus condiciones y midiendo los niveles de radiación.

Aquel experimento improvisado confirmó lo que sospechaban: la enorme masa de roca sobre sus cabezas bloqueaba los rayos cósmicos, proporcionando un entorno ideal para detectar partículas extremadamente raras, como los neutrinos, y posibles rastros de materia oscura. Aquel primer viaje, realizado sin apenas recursos, fue el germen de lo que, décadas después, se convertiría en una de las infraestructuras científicas más avanzadas de Europa.

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