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Una trampa bajo los Andes cazará las partículas más escurridizas del universo

La instalación, entre Argentina y Chile, será el primer laboratorio subterráneo de Latinoamérica para estudiar los neutrinos o la materia oscura

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¿Por qué un laboratorio subterráneo?

En la superficie de la Tierra recibimos cada segundo una gran cantidad de partículas procedentes del espacio, muones que nos atraviesan, rayos cósmicos... Estas producen un "ruido" enorme que, con los instrumentos que tenemos, nos impiden observar otras partículas más discretas como los neutrinos o los WIMP, las partículas que componen la materia oscura.
Explicación para dispositivos sin flash
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Diseño de los laboratorios

La configruración final no está definida, pero se estudia que cuente con tres salas, a las que se accederá desde los túneles de ventilación. La más grande de ella no superará los 20x50 metros. Se manejan tres posibilidades, con un volumen que va de los 35.000 a los 90.000 metros cúbicos y un coste de los 7 a los 20 millones de dólares.
Acceso
Acceso
Se realiza a través de los canales de ventilación ya existentes en el túnel
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Caverna de radiación ultrarreducida
Caverna de radiación ultrarreducida
Dentro de esta sala habría un cilindro de cobre sumergido en agua, que sería el lugar de la Tierra menos expuesto a radiación. Por su coste, el tamaño debe ser reducido: 4 m. de diámtro, 9 de altura y un grosor de la cubierta de 18 mm.
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Hall principal
Hall principal
Sala principal, dividida en varios niveles y de unos 17 metros de anchura y 20 de altura. Su diseño final puede variar, así como su coste que ahora se calcula en los 4.75 millones de dólares.
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Caverna de experimento único
Caverna de experimento único
De 20 metros de diámetro y 20 de profundidad. Podría llegar a los 30 metros, pero aún así sería bastante más pequeño que el SuperKamiokande japonés.
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diseño del laboratorio
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¿Qué se quiere averiguar?

Uno de los principales experimentos que acogería ANDES pretende conocer cuál la masa de los neutrinos (hasta ahora desconocida) y revelar si éstos son su propia antipartícula. Ese objetivo se lograría si se consigue detectar una desintegración doble beta sin neutrinos. Esto se explicaria porque el neutrino emitido como antiparticula por un neutron seria absorbido como neutrino por otro neutron, posibilidad que estaria descartada si el neutrino fuese diferente del antineutrino. Esto explicaría por qué existimos, entre otras cosas.
Para medir esta desintegración doble beta se usan observadores de neutrinos como el Nemo 3 en le laboratorio subterráneo de Fréjus, en Francia. Se trata un sistema de detectores en capa, similar a los del LHC.
Estos detectores deben construirse con materiales miles de millones de veces menos radiactivos que los que tenemos en la superficie. Algunos materiales llevan hasta 15 años bajo tierra para no estar contaminados.
Observador de neutrinos
La desintegración doble beta es un proceso que se puede producir con átomos inestables, como el Xenon 136, un isótopo que se utiliza en los detectores con los que se estudian estos fenómenos.
Es como una metamorfosis, porque esos elementos radiactivos, según van liberando su masa en forma de energía se van transformando en otros elementos más estables.
Desintegración doble beta
En la desintegración β- un neutrón se transforma en un protón con la emisión simultánea de un electrón y un antineutrino. Lo que quieren ver estos investigadores es un tipo de desintegración particular en el que de un proceso de metamorfosis en el que los dos neutrones se transforman en protones no surge ningún neutrino.
Desintegración doble beta
Esto demostraría que el neutrino es su propia antipartícula al quedar absorbido entre los dos neutrones que se liberan en el proceso de desintegración. El neutrino se confirmaría así en una partícula clave en el desequilibrio que permitió que la materia triunfase sobre la antimateria.

Cómo funcionará el laboratorio ANDES / Amanda Sullivan. TIV



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En la frontera entre Argentina y Chile, en el Túnel de Agua Negra, bajo 1.750 metros de cordillera andina, los científicos de América del Sur quieren construir un laboratorio subterráneo para desentrañar los últimos secretos del universo. El proyecto, bautizado como ANDES (Agua Negra Deep Experiment Site), aprovechará la construcción de un túnel de 14 kilómetros que abrirá un corredor entre el Atlántico brasileño y el Pacífico chileno. Las tuneladoras de esta obra de 900 millones de euros servirán también para horadar las cavidades en las que se alojará el laboratorio. Allí, protegidos por un filtro de roca que impide la entrada de los ruidosos rayos cósmicos y la radiación que baña la superficie de la Tierra, los investigadores tratarán de capturar a unas partículas discretas pero poderosas.

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Laboratorio subterráneo ANDES, en el paso fronterizo de Agua Negra

Una partícula poco sociable que pudo cambiar el mundo ↓


Infografía: Laboratorios "cazapartículas" en el mundo ↓

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El CERN halla una partícula consistente con el bosón de Higgs

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Una de ellas son los neutrinos, unas partículas que apenas se relacionan con el mundo que les rodea y que surgen del Sol, las explosiones de supernovas o las mismas centrales nucleares. Capaces de atravesar nuestro planeta de lado a lado sin inmutarse y tan peculiares que algunos llegaron a creer que podían ser más rápidos que la luz, se confirmaron como actores clave para entender el comportamiento de la materia en 1998. Ese año, el experimento japonés Super Kamiokande demostró que, pese a lo que predecía el Modelo Estándar, una teoría que explica con bastante precisión las propiedades de la naturaleza, los neutrinos tienen masa. A partir de ese momento comenzó la búsqueda del mecanismo que les proporciona esa masa, una especie de bosón de Higgs de los neutrinos. Los científicos que trabajen en Agua Negra quieren entrar en esa carrera cuyo ganador podría obtener el Nobel.

La otra pieza misteriosa que quieren cazar en Agua Negra es la materia oscura. Pese a formar el 84% de la materia del universo (la materia que vemos y de la que estamos hechos es el restante 16%), aún se desconoce casi todo sobre ella y nadie ha logrado detectarla.  Como en el caso anterior, determinar de qué está hecha esta materia que no emite luz ni la refleja, sería un descubrimiento revolucionario para la física.

Otros laboratorios similares
Todos en el hemisferio norte

INFOGRAFÍA | Laboratorios "cazapartículas" en el mundo / A.S. TIV


Existen un puñado de lugares en el mundo dedicados a perseguir estas partículas (como Canfranc en España o Gran Sasso en Italia), casi todos en el hemisferio norte. El laboratorio de Agua Negra será el primero en Latinoamérica y para construirlo ya están colaborando investigadores de Argentina, Chile, Brasil y México. ”Sería una fuente de entusiasmo para los científicos de la región, porque tendrían la posibilidad de participar en un experimento de nivel que al mismo tiempo está cerca y es asequible”, explica el investigador de la Universidad Nacional de la Plata en Buenos Aires y corresponsable del proyecto Osvaldo Civitarese.

A largo plazo, los impulsores de este proyecto creen que se podrían aprovechar las sinergias creadas con el Observatorio Austral Europeo en Chile, el observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger o el telescopio Cherenkov Telescope Array(CTA), que posiblemente se construirá en Argentina, para crear un centro como el CERN en América del Sur en torno al Consorcio Latinoamericano de Experimentos Subterráneos. “La situación del laboratorio, además de por su potencial para la física, es muy interesante, porque está entre dos países que no son tan grandes como Chile y Argentina y cuenta con la cooperación de dos países mayores como Brasil o México”, explica Xavier Bertou, coordinador del proyecto. Así se lograría un punto de equilibrio que facilitaría la colaboración. “Uno ahora piensa en el CERN y ve que es algo gigantesco, pero cuando se formó en los años 50 era mucho más chico”, explica Bertou. “Para nosotros, lograr algo parecido, es un desafío a medio y largo plazo”

 Los científicos que trabajen en Agua Negra quieren entrar en esa carrera cuyo ganador podría obtener el Nobel

Pero antes de empezar con la ciencia, se deberán construir primero el túnel que albergue los experimentos. De momento, el proyecto del laboratorio ya se ha incorporado al proyecto del túnel de Agua Negra. En ese proyecto de 900 millones, se incluirían los 10 millones de coste estimados para la obra de ANDES. “Este coste”, comenta Civitarese, “también sería costeado por los ministerios de obras públicas de Argentina y Chile y no por los de ciencia”. Según los plazos previstos, las obras del túnel comenzarían el año que viene, en 2015 ya se estaría excavando el laboratorio y en 2018 empezarían los primeros experimentos.

Además de avanzar en los trámites que posibiliten la construcción, los responsables del proyecto ANDES han empezado ya a entablar contactos con otros grupos de cazadores de neutrinos y materia oscura. ”Uno de los trabajos fundamentales que tienen por delante es buscar un experimento de talla internacional para justificar la inversión en infraestructuras”, dice Juan José Gómez Cadenas, investigador del instituto de Física Corpuscular de Valencia y director del experimento NEXT en el laboratorio subterráneo de Canfranc. “Aquí estuvimos a punto de vernos sin un buen proyecto y ellos deberán resolver también ese problema”.

«Sería una fuente de entusiasmo para los científicos de la región»


Osvaldo Civitarese
Físico. Corresponsable del proyecto ANDES

Civitarese cree que, aunque serán necesario concretar las colaboraciones, ya van por el buen camino. Han recibido decenas de mensajes de investigadores de todo el mundo con propuestas de colaboración. De momento tienen dos propuestas de futuro concretas. Una del grupo responsable del experimento NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) y otra del experimento MAJORANA. En ambos casos se trataría de instalar módulos de ampliaciones futuras de esos experimentos que servirían para hacer pruebas y poner a punto el laboratorio. Más adelante podrán empezar a concretar cuál será su gran apuesta para competir con garantías en la caza internacional de la materia oscura o el estudio de las características del neutrino.



Una partícula poco sociable que pudo cambiar el mundo

Es posible que los neutrinos que se quieren estudiar en el proyecto ANDES, por ajenos que nos puedan parecer, hayan tenido un papel fundamental en nuestra existencia y la del mundo que nos rodea. Si hubiésemos podido observar el Big Bang en directo, es probable que en aquellos primeros instantes no hubiésemos podido prever un Universo habitado por nebulosas, estrellas, planetas o seres humanos. Del gran estallido brotó una cantidad idéntica de materia y de antimateria y estaba claro que las dos no cabían en el mismo cosmos. Cada vez que una partícula chocaba contra su antagonista se desintegraba, dejando tras de sí un rastro de radiación. Con la batalla perfectamente equilibrada, parecía inevitable la aparición de un universo de pura energía, muy distinto del que conocemos.

Sin embargo, sabemos que algo sucedió en aquellos primeros instantes que desequilibró la pelea y permitió la aparición de la materia. Una de las teorías que pueden explicar ese suceso que propició nuestra existencia plantea la posibilidad de que los neutrinos interactuasen de forma distinta con la materia con la antimateria. La clave se encontraría en unos parientes pesados de los neutrinos que existían en los primeros momentos tras el Big Bang. Su desintegración se produciría dejando tras de sí solo materia, desequilibrando así el combate y permitiendo el triunfo de la materia.

 



MÁS INFO
» Túnel de Agua Negra (YouTube)

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