Super-Kamiokande, tras los misterios de la explosión de una supernova

De la piedra filosofal a la exploración del espacio

Keynes, padre de la macroeconomía, empezaba así un artículo insólito en que revelaba los secretos del pionero de la ciencia moderna Isaac Newton: “No puedo evitar vacilar ligeramente a la hora de explicar cómo era él en realidad”.

Un poco antes del mencionado artículo, en 1936, los descendientes de Newton habían subastado en Sotheby’s una caja con escritos inéditos del científico. Keynes pujó, se hizo con casi la mitad del contenido y se encontró con una serie de manuscritos sobre alquimia, sembrados de simbología como “el león verde” o “la meretriz simplona”. El economista concluyó de Newton que “tenía un pie en la Edad Media y otro en el camino hacia la ciencia moderna”.

Lo que Newton buscaba en el siglo XVII era la piedra filosofal, capaz de transformar en oro metales básicos como el plomo y de brindar a los humanos la eterna juventud y la inmortalidad. Se dice que el científico pasó los últimos años de su vida volcado en la alquimia y enloqueció por intoxicación de mercurio.

¿Por qué un gigante de la ciencia como Newton se dejó arrastrar al estudio de las “ciencias ocultas”? Una de las hipótesis a las que llegaron los historiadores científicos tras mucha confusión mantiene que, después de descubrir la ley de la gravedad, se propuso elaborar una teoría de la materia y, al preguntarse cuáles eran los componentes de la materia, seguramente pensó que podía llegar al fondo de la cuestión mediante la alquimia.

Newton se adelantó trescientos años, ya que las pistas para desentrañar los enigmas que lo ocupaban surgieron con el desarrollo de la física nuclear, la física de partículas y la teoría del Big Bang, ya entrado el siglo XX. La acumulación de esos conocimientos es lo que ha permitido que la humanidad haya llegado, al fin, al momento adecuado para abordar esos misterios.

Japón lidera la investigación sobre neutrinos

Seguramente muchos habrán oído nombrar la investigación sobre neutrinos, 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.

El depósito de agua del interior del Super-Kamiokande, de 41 metros de altura, al vaciarlo 4 metros para las obras de reforma de 2018. Fotografía cedida por el Observatorio Kamioka del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio.

Los neutrinos son una de las partículas elementales que componen el universo y se caracterizan principalmente por ser las más difíciles de captar.

Los neutrinos más numerosos que hay en la Tierra proceden del Sol. Se calcula que cientos de billones de ellos se precipitan sobre cada persona en un segundo, pero el 99,999999999999999999999 % (23 nueves seguidos) atraviesan la materia sin tocarla, es decir que solo un neutrino llega a chocar con el núcleo o los electrones de un átomo humano entre cada 50 y 100 años. El hecho de que reaccionen constituye un milagro.

“Como el Super-Kamiokande contiene en torno a 50.000 toneladas de agua pura, puede atrapar unos 20 neutrinos procedentes del sol y unos 10 formados en la atmósfera al día”, apunta el profesor Nakahata Masayuki, que dirige los experimentos en el Observatorio Kamioka del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio.

El profesor Nakahata nos muestra el interior del Super-Kamiokande. Debajo de donde posa para la fotografía hay un depósito de agua gigantesco.

Los neutrinos, la única ventana para ver directamente los “altos hornos del espacio”

¿Qué cosas podemos saber del espacio atrapando neutrinos?

“Para responder a esta pregunta, es preciso explicar un poco de historia del universo. El cosmos se creó hace 13.800 millones de años con el Big Bang. Los elementos que se produjeron con aquella explosión fueron principalmente el hidrógeno y el helio, mientras que los más pesados se generaron con la fusión nuclear del interior de las estrellas y la explosión de supernovas. Creemos que los elementos que pesan más que el hierro, como el oro y la plata, se compusieron instantáneamente en condiciones de temperatura y presión muy altas como las de la explosión de una supernova, que se produce cuando una estrella al menos ocho veces más pesada que el Sol llega al fin de su existencia, o la fusión de estrellas de neutrones”.

De esto se desprende que la piedra filosofal capaz de generar oro no se halla en nuestro planeta, sino en las explosiones de las supernovas y otros fenómenos de los “altos hornos del espacio”.

Los elementos que se esparcieron por el espacio con las explosiones vuelven a reunirse por la gravedad y dan lugar a nuevas estrellas, que explotan de nuevo al llegar al fin de su vida. En definitiva, si comparamos los elementos ligeros con instrumentos musicales agudos y los pesados con instrumentos graves, en cada vuelta del ciclo de vida y muerte de una estrella, se añaden elementos pesados y la música del cosmos se vuelve más compleja. El Sistema Solar, la Tierra y nuestro cuerpo, que se compone de una gran diversidad de elementos que incluye elementos menores imprescindibles, también se benefician de este espectáculo.

¿En qué época del universo y cómo se generaron los elementos?

“La única pista directa para interpretar las imágenes complejas de la explosión de las supernovas son los neutrinos. En la explosión se emite una cantidad ingente de energía, el 99 % de la cual se libera al espacio en forma de neutrinos, que se generan en el núcleo de la estrella justo antes de estallar y atraviesan la materia sin provocar ninguna reacción. Esos neutrinos son la única ‘ventana’ que permite observar directamente el estado del interior de la explosión de la supernova”, aclara Nakahata.

¿Cómo se atrapan, entonces, los escurridizos neutrinos que todo lo atraviesan? El equipo para detectarlos se halla enterrado en un lugar del distrito de Kamioka, en la ciudad de Hida, Gifu.

Túnel que atraviesa el monte Ikenoyama y lleva al Super-Kamiokande.

El Super-Kamiokande observa el espacio desde el subsuelo de una mina

A finales de octubre, con el monte teñido de tonos anaranjados y rojizos, la aldea formada por ristras de casas antiguas tiene un encanto nostálgico. El frondoso Ikenoyama fue antaño una mina de la que se extraía zinc y plomo. Adentrándonos 1,7 kilómetros por el oscuro túnel que se extiende en línea recta desde la entrada, llegamos al corazón de la montaña. En un rincón del frío y tenebroso pasaje se alza la puerta a un mundo de alta precisión científica.

Al entrar un poco más, nos hallamos en una estancia con techo de cúpula. Bajo nuestros pies yace un depósito cilíndrico de 39,3 metros de diámetro y 41,4 metros de altura, excavado en la roca, en el que cabrían tres grandes budas como el de Kamakura o la Estatua de la Libertad de Nueva York casi entera. La colosal caverna no sufre peligro de derrumbe porque está hecha de gneis, un tipo de roca muy dura.

La entrada a la sala de experimentos que se halla mil metros bajo la cima del monte.

El depósito de agua del interior, totalmente vaciado para las obras de reforma. Fotografía cedida por el Observatorio Kamioka del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio.

La pared interior del depósito está cubierta con 11.129 fotomultiplicadores (sensores ópticos) gigantes con forma de bombilla de 50 centímetros de diámetro. Cada uno de ellos tiene tal sensibilidad que sería capaz de detectar el haz de luz de una linterna proyectado desde la Luna. El cristal fue elaborado con todo el cuidado por artesanos y la superficie se revistió con una película metálica, dorada y brillante (cuando no está en mantenimiento, el depósito se encuentra en total oscuridad, por lo que no es posible observar las más de 10.000 esferas doradas).

El tanque se llena con 50.000 toneladas de agua pura (que solo contiene moléculas de agua) y, en las raras ocasiones en que un neutrino reacciona con el agua, se emite una tenue luz blanca azulada en forma de cono (radiación de Cherenkov) que se detecta mediante los fotomultiplicadores instalados en la pared.

Un fotomultiplicador con superficie de cristal elaborada artesanalmente.

Pantalla que muestra los neutrinos localizados. Los círculos de arriba y abajo corresponden a la superficie y el fondo del depósito, mientras que el rectángulo del medio representa los datos de los fotomultiplicadores instalados en su pared interna.

En agosto de 2020, el Super-Kamiokande se modificó para mejorar la detección de neutrinos diluyendo un 0,01 % de gadolinio (elemento con el número atómico 64) en el agua pura, lo que permite identificar los distintos tipos de reacciones de los neutrinos.

Según el profesor Nakahata, “Así podemos conocer la dirección de la estrella que ha provocado la explosión de la supernova. La primera vez que se demostró que esas explosiones generaban neutrinos fue en 1987; desde entonces ese proceso solo se ha registrado 11 veces con el Kamiokande y 24 en total, incluyendo los observatorios estadounidenses y rusos. Añadir gadolinio al agua pura no va a contribuir a que lo detectemos con mayor frecuencia pero, si explota una supernova en la Vía Láctea, más cerca que la Gran Nube de Magallanes, el Super-Kamiokande, que tiene 25 veces más agua que el Kamiokande (el volumen de agua influye en el número de detecciones), captaría alrededor de diez mil fenómenos. Como algunos cientos de esos fenómenos contienen información sobre orientación, podríamos averiguar la dirección de la supernova”.

Por otro lado, al haberse mejorado la sensibilidad del Super-Kamiokande, además de observar posibles explosiones de supernovas en la Vía Láctea, también podría registrarse, varias veces al año, el llamado fondo difuso de neutrinos de supernova, que son neutrinos liberados en explosiones pasadas: “Existen varios cientos de miles de billones (10¹⁷) de estrellas pesadas que provocan explosiones de supernovas y vienen provocándolas repetidamente a lo largo de la historia del cosmos. Los neutrinos liberados en el pasado que siguen flotando en el espacio, aunque su longitud de onda se amplíe y se vuelvan casi imperceptibles como consecuencia de la expansión del universo, se conocen como fondo difuso de neutrinos de supernova. Captándolos podemos saber qué explosiones de supernova tuvieron lugar en cada era”.

El dispositivo recién instalado para mezclar gadolinio en el agua pura.

Sala de supervisión del estado del Super-Kamiokande. En la actualidad, científicos de todo el mundo pueden utilizarla de forma remota.

Se creyó estafado, pero su vida acabó resultando apasionante

Al preguntar al profesor Nakahata por qué eligió su especialidad, responde “Pensé que, ya que solo se vive una vez, sería interesante dedicar mi vida a algo así”.

Cuando buscaba laboratorio para sus estudios de posgrado, Nakahata supo de un hombre ambicioso y autoritario llamado Koshiba. Decidió unirse a su equipo porque le pareció interesante que le asegurasen que podían lograr el Nobel enseguida por la desintegración de los protones usando un dispositivo conocido como Kamiokande. Sin embargo, por más tiempo que pasaba, no lo lograban. Nakahata creyó que le habían tomado el pelo.

El profesor Nakahata habla con su tono suave en el Observatorio Kamioka del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio.

Sin embargo, la genialidad de Koshiba residía en su capacidad de concebir nuevas ideas. Ante la ausencia de resultados del proyecto, el profesor propuso reorientar los esfuerzos a intentar captar neutrinos y reformaron el dispositivo. Poco más de un año después, se produjo la explosión de una supernova en la Gran Nube de Magallanes —una galaxia vecina a la Vía Láctea— y se convirtieron en los primeros del mundo en hallar neutrinos procedentes del espacio.

Es innegable que el equipo de investigadores fue muy afortunado, ya que las explosiones de las supernovas no son un fenómeno frecuente: en nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay una entre cada 30 y 50 años, mientras que las que pueden detectarse observando su luz directamente solo se producen una vez cada 400 años.

El proyecto recibió otro golpe de suerte. La primera persona del mundo que obtuvo datos brutos sobre los neutrinos de la explosión de la supernova fue el profesor Nakahata, que por aquel entonces estudiaba el tercer año de doctorado y se encargaba de analizar los datos: “Cuando vi que, desde las 16 horas, 35 minutos y 35 segundos (hora japonesa) del 23 de febrero, había una señal de energía elevadísima de 10 segundos, el corazón se me puso a mil”. Tan solo tres minutos antes de dicha señal, había un vacío de dos minutos que correspondía al ajuste que se llevaba a cabo en el dispositivo cada dos horas, durante el cual no podían obtenerse datos. Si la explosión se hubiera producido tres minutos antes, no la hubieran captado. Nakahata sintió un alivio enorme al comprobarlo.

La sucesión de puntos del centro de la foto indica el momento en que se registró la explosión de la supernova. El espacio en blanco de abajo son los minutos de ajuste del dispositivo.

“No lograba contactar con el profesor Koshiba. Se había ido a un hotel de aguas termales en Hakone, aun sabiendo que estábamos analizando los datos de la explosión de una supernova (ríe). Tal vez nadie pensaba que esto nos llevaría a ganar el Nobel”, recuerda Nakahata.

Pasado el fin de semana, cuando Nakahata presentó los resultados del análisis al profesor Koshiba, este le espetó, sin siquiera una sonrisa, “¡Pero si solo son los datos de dos días! Analiza todos los datos del Kamiokande hasta la fecha y demuestra que esto es todo lo que hay”. En la semana siguiente, Nakahata se entregó día y noche a recopilar digitalmente los datos de cientos de rollos de cinta magnética y escribió un artículo sobre los resultados que se convirtió en la primera prueba documental del mundo de la detección de neutrinos resultantes de la explosión de una supernova.

“Después de aquello seguimos obteniendo hallazgos inesperados y llevé una vida interesantísima”, afirma, sonriente, el profesor Nakahata al echar la vista atrás a la media vida que ha dedicado al Kamiokande y el Super-Kamiokande.

La investigación de neutrinos pasará al siguiente nivel a partir de 2027, cuando termine de construirse el Hyper-Kamiokande, un sucesor del Super-Kamiokande de 260.000 toneladas que ha de contribuir a profundizar en la teoría de partículas elementales y la historia de la evolución del universo.

“Seguimos teniendo muchos retos por delante. Deseo que nuestras investigaciones inspiren y abran la imaginación a todo el mundo, y que las generaciones jóvenes se vuelquen en este campo”, comenta Nakahata. Tras su mirada afable brilla una luz muy intensa.

El profesor Nakahata y los demás investigadores participan también en la instalación de los fotomultiplicadores. Fotografía cedida por el Observatorio Kamioka del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio.

Koshiba Masatoshi, profesor emérito de la Universidad de Tokio que abrió las fronteras de la astronomía de neutrinos y lideró la investigación de dicho campo a nivel mundial, falleció el 12 de noviembre de 2020. Desde aquí queremos recordar sus grandes logros y expresar nuestras más sinceras condolencias por su desaparición.

Fotografía del encabezado: Obras de reforma en el depósito de agua vacío. Cedida por el Observatorio Kamioka del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio. (Las fotografías de este artículo que no fueron cedidas por el Observatorio son de Hashino Yukinori, miembro del equipo editorial de nippon.com.)