Descubriendo las fuerzas que mueven el universo - Tecnología de vacío al servicio de la exploración del universo

Descubriendo las fuerzas que mueven el universo - Tecnología de vacío al servicio de la exploración del universo

A 2100 metros por debajo de la superficie terrestre, los físicos de SNOLAB intentan encontrar neutrinos, los esquivos y diminutos componentes que forman el universo.

Los neutrinos son partículas elementales eléctricamente neutras que recorren el espacio prácticamente a la velocidad de la luz. Dado que no tienen carga eléctrica, su interacción con la materia es casi nula y pasan a través de ella virtualmente inalterados. Esto les permite recorrer grandes distancias y llegar a la Tierra desde galaxias remotas. Sin embargo, son muy difíciles de investigar debido a su naturaleza esquiva.

Detección con destellos de luz

Para poder atrapar estas partículas elementales diminutas, los investigadores han tenido que trasladarse bajo tierra. El laboratorio de física SNOLAB está ubicado en una mina de níquel en la ciudad canadiense de Sudbury, Ontario. En este lugar, los científicos tienen acceso a una zona libre de 5000 metros cuadrados con una capa de roca de 2100 metros que protege al laboratorio de la radiación cósmica; un escudo que solo pueden atravesar los neutrinos. En el corazón del laboratorio se encuentra el detector de neutrinos, que consiste en un tanque acrílico con forma esférica con un diámetro de 12 metros.

Para llevar a cabo los experimentos, que reciben el nombre de SNO+, el tanque se llena con 800 toneladas métricas de un líquido especial hecho del hidrocarburo alquilbenceno lineal (LAB). Este líquido emite rayos ultravioletas cuando sufre una agitación causada por una radiación ionizante. La luz ultravioleta que se genera estimula un colorante disuelto en el líquido que se torna azul fluorescente. Al atravesar el líquido, cualquier neutrino que llegue lo suficientemente cerca de su núcleo atómico para desencadenar una reacción producirá pequeños destellos de luz. Los sensores ultrasensibles que rodean el tanque se encargan de detectar dichos destellos.

Para garantizar que la detección de las partículas subatómicas sea correcta, es necesario eliminar todas las sustancias innecesarias del LAB. Aquí es donde entra en juego la tecnología de vacío. Con la ayuda de las bombas de vacío se genera una presión negativa de 20 milibares en el sistema de limpieza. Gracias a un proceso de destilación de varias fases a una temperatura de 238 grados, se consigue eliminar del líquido la partícula más pequeña de metal pesado. Posteriormente, una vez más con tecnología de vacío, se hace circular vapor de agua y nitrógeno a través del líquido formando la denominada columna de destilación. Este proceso expulsa el gas radón, criptón, argón y oxígeno, y regula el contenido de agua del líquido. Los condensadores situados en las salidas de aire de las bombas de vacío garantizan una recuperación total de los vapores. En esta fase, los gases de escape del proceso de limpieza se enfrían, licuan y se trasladan a recipientes colectores.

Premio Nobel por la investigación sobre neutrinos

En los nuevos experimentos SNO+, se ha reemplazado el agua pesada del LAB con la que se llenó el tanque durante el proyecto SNO original. Gracias a dichas investigaciones, el responsable del experimento SNO, Arthur McDonald, fue galardonado con el Premio Nobel de física en 2015. Desde 1999 hasta 2006, utilizó el agua pesada para detectar neutrinos generados en el sol a través de la fusión nuclear. Sin embargo, sus resultados no coincidían con las predicciones del modelo aceptado de la física que había establecido que los neutrinos no tenían masa.

Por el contrario, las desviaciones descubiertas se explicaron con la teoría alternativa de la oscilación de neutrinos. Dicha teoría establece que los tres tipos de neutrinos (electrón, muon y tau) son capaces de transformarse entre ellos. Sin embargo, esto solo es posible si tienen masa, independientemente de lo poca que sea.

En comparación con el experimento original con agua pesada, la interacción de los neutrinos con el LAB emite una gran cantidad de luz. El objetivo principal de las nuevas investigaciones es analizar el complejo proceso de la doble desintegración beta sin neutrinos, aunque el LAB también se puede utilizar para examinar los neutrinos solares protón-electrón-protón (PEP). Otros objetivos incluyen la detección de geoneutrinos originados a partir de procesos de desintegración radioactiva en la Tierra, así como la detección del neutrino reactor que se origina a partir de reacciones de fisión nuclear. Además, también se podrían detectar neutrinos supernova si se produjera una en nuestra galaxia. Con las mediciones de neutrinos obtenidas, los investigadores esperan ampliar nuestro conocimiento sobre las fuerzas fundamentales del universo.

Snolab lleva utilizando tecnología de vacío de Busch desde 2012.


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