Algunos están tan locos que se aventuran en lo profundo de las minas para observar las estrellas del cielo. Este podría ser uno de esos aforismos que se encuentran en tarjetas y pósteres, superpuesto a alguna foto bonita. También podría ser la reflexión de un filósofo griego o romano transmitiendo un mensaje a la posteridad. Pero no hay locura detrás de la astronomía subterránea y mostrar todo lo que podemos aprender del universo desde lo profundo de una mina o debajo de una montaña es mi tarea en estas líneas.
El majestuoso universo que hay ahí afuera, a nuestro alrededor, al mismo tiempo tan cercano y tan lejano, no ha dejado de sorprendernos desde que empezamos a desvelar sus misterios. En el primer tercio del siglo XX el universo nos mostró sus auténticas dimensiones. Nuestra estrella, el Sol, era una más dentro de la Vía Láctea, que solo es una de las muchas galaxias espirales que se observaron a través de los grandes telescopios. Estas galaxias se alejan de nosotros más rápido cuánto más lejos están, mostrando que el universo no es algo estático e inmutable, sino que está expandiéndose constantemente.
Esta expansión, junto con la teoría de la Relatividad General desarrollada por Albert Einstein, son la base del modelo cosmológico que desde entonces sigue vigente en nuestros días. Y este modelo cosmológico es enormemente exitoso explicando toda la fenomenología del universo conocido, en las distintas escalas de distancias y épocas de su evolución; aunque como casi todo, tiene un alto precio.
Huellas del universo primitivo
La observación de un universo en expansión implica que en el pasado el universo era más pequeño y más caliente. En ese universo primitivo, si retrocedemos lo suficiente, se tuvieron que alcanzar temperaturas increíbles, asociadas a densidades de energía muy superiores a las que jamás seremos capaces de producir en los aceleradores de partículas. En este universo primitivo la materia no podía encontrarse en las mismas formas que conocemos, átomos y moléculas, sino disgregada en sus componentes más básicos, las partículas elementales.
Podríamos decir que la historia del universo es una historia de enfriamiento. Al expandirse y enfriarse, la materia pudo ir agregándose en formas estables: primero, núcleos; luego, átomos y, más adelante, en estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, pero también en moléculas cada vez más complejas. Por el camino quedaron partículas desconectadas del resto de los componentes del universo, aisladas por la combinación de la expansión del universo y su bajo ritmo de interacción con el entorno. Podríamos decir que estas partículas son fósiles, huellas que nos ha dejado el universo primitivo.
Investigar la materia oscura
Entre estas partículas fósiles están los fotones de la radiación cósmica de fondo de microondas. La observación de estos fotones desde 1965 nos proporciona una foto única, una foto en la que se nos muestra 'congelado' justo en el momento en el que se formaron los átomos, hace más de 13 mil millones de años. De estos fotones se extrae hoy en día una gran cantidad de información, sobre todo a partir de las fluctuaciones en su temperatura, que permite ajustar los parámetros del modelo cosmológico con una precisión impresionante. Y el modelo funciona, aunque al precio de incorporar en el universo unas componentes de materia y energía desconocidas, diferentes de todo lo que conocemos, son la materia y la energía oscura, que suponen un 27 % y un 68 %, respectivamente, de su 'presupuesto' energético.
Investigar la naturaleza de la materia y la energía oscura es uno de los mayores retos que afrontan en la actualidad la Cosmología, la Astrofísica y la Física de Partículas. La necesidad de introducir la energía oscura en el modelo cosmológico se remonta a finales del siglo XX, cuando se midió cuál era la aceleración en el ritmo de expansión del universo. Para investigar las propiedades de esta energía oscura se recurre a grandes cartografiados de galaxias que nos muestran la estructura a gran escala, utilizando potentes telescopios.
Por otro lado, hace ya casi un siglo Fritz Zwicky propuso la existencia de una 'materia oscura' para explicar la dinámica de las galaxias en los cúmulos. En particular, las velocidades de dispersión de las galaxias del cúmulo de Coma, que eran tan grandes que la fuerza gravitatoria de la materia visible en dicho cúmulo de ningún modo habría podido mantenerlas 'atrapadas'. Del mismo modo que un fluido no tiene forma si no hay un recipiente que lo contiene, los cúmulos deberían haberse disgregado hacía mucho tiempo. Zwicky propuso la existencia de una materia que no se ve pero genera pozos de potencial gravitatorio que dan forma a los cúmulos de galaxias. La denominó materia oscura aunque habría sido más adecuado denominarla materia invisible o transparente. A pesar de todo es este nombre perdura hasta nuestros días.
Partículas exóticas
Las pruebas de la existencia de la materia oscura se han ido acumulando durante todo el siglo XX. Especial mención merecen las medidas de las velocidades de las estrellas en los brazos de las galaxias espirales que hicieron Vera Rubin y Kent Ford en los años 70, que más adelante Albert Bosma confirmó observándolas en ondas de radio. Todos los datos apuntan a la existencia de halos de materia oscura que se extienden hasta distancias muy superiores al radio de la parte visible de las galaxias. Podríamos decir que la materia oscura gobierna la dinámica de las galaxias y los cúmulos de galaxias y toda la formación de estructuras en la evolución del universo.
El problema es que ninguna de las partículas tiene las propiedades adecuadas para explicar todas estas observaciones, por lo que tenemos que buscar partículas exóticas, fuera del Modelo Estándar de la física de partículas. Solo sabemos de ellas que son masivas, estables o de vida media muy larga y que interaccionan muy débilmente con la materia ordinaria. Para identificar esta partícula y estudiar sus propiedades se combinan distintas estrategias.
Por un lado, se buscan nuevas partículas en los grandes aceleradores. La idea es que haciendo colisionar partículas de materia ordinaria a muy alta energía se pueden generar nuevas partículas, que quizá nos ayuden a explicar la materia oscura. Sería como volver a la vida en el laboratorio esas partículas fósiles que ya se habían creado en el universo primitivo, en una especie de Parque Jurásico cosmológico.
También se buscan indicios indirectos de la aniquilación de las partículas de materia oscura procedentes de aquellos lugares en los que se hayan acumulado gravitacionalmente. Esto es, que detectemos en la Tierra excesos en el número de partículas como positrones, electrones, antiprotones o neutrinos en los rayos cósmicos. Complementaria a esta, se buscan las posibles debilísimas interacciones de partículas de materia oscura provenientes del halo de la Vía Láctea, en el que estamos inmersos, con detectores construidos para tal fin. Los depósitos energéticos que producirían las partículas de materia oscura son pequeños y suceden raramente, por lo que resulta imprescindible aislar esos detectores de cualquier tipo de interferencia.
Esto último no solo es vital para la detección directa de materia oscura, sino también en muchos otros experimentos que estudian interacciones o desintegraciones raras. Este tipo de experimentos se engloban dentro de la llamada Física de Sucesos Poco Probables, que requieren un entorno de bajo ruido radiactivo -podríamos definirlo como “silencio de radiación”- en el que se eviten las interferencias que generan otras partículas y radiaciones, aunque sean conocidas. Entre estas se encuentra la radiación cósmica -cascadas de partículas que bañan de forma continua y constante la superficie de nuestro planeta- y la radiactividad natural, producto de las desintegraciones de los núcleos inestables que se encuentran en pequeñas cantidades en todos los materiales que conforman el mundo que nos rodea.
Para conseguir este "silencio de radiación" hace falta un laboratorio subterráneo, para que el cubrimiento de roca haga de paraguas frente a la radiación cósmica. Una vez dentro del laboratorio son necesarios blindajes adecuados capaces de detener las distintas partículas y radiaciones que se producen en las paredes de cemento y roca del laboratorio.
Existen unas pocas instalaciones subterráneas en el mundo, construidas en lo más profundo de minas y en túneles que atraviesan cordilleras. Los experimentos que se llevan a cabo en estos laboratorios no serían posibles en la superficie, por eso, reciben el nombre genérico de Física Subterránea. Una parte de ella es la Astronomía Subterránea, que estudia partículas creadas en objetos astrofísicos, o incluso en el universo como un todo. La detección directa de las partículas que componen la materia oscura es uno de los temas centrales a los que se dedican estos laboratorios.
Partículas fantasmales
Los neutrinos son otra línea fundamental de investigación dentro de la Astronomía Subterránea. Son las partículas fantasmales del Modelo Estándar, ya que interaccionan muy débilmente con la materia ordinaria, razón por la cual sus propiedades no son del todo conocidas hasta el momento.
Los neutrinos se producen en grandes cantidades en los reactores nucleares, en muchas desintegraciones nucleares, en los procesos de fusión que suceden en el corazón de las estrellas, en las explosiones de supernova y en otros grandes eventos astrofísicos. Los neutrinos que proceden de fuentes cósmicas son mensajeros muy interesantes porque, al no interaccionar apenas con otras partículas ni verse influidos por los campos eléctricos y magnéticos, traen información de primera mano de procesos lejanos, complementaria de la que nos aportan otros mensajeros de información como los fotones. No hay duda que observar el universo a través de los neutrinos abre puertas a grandes descubrimientos en un futuro.
La primera imagen tomada con neutrinos de un objeto celeste fue la del Sol. Esta primera “neutrinografía” fue obtenida a partir de los datos recogidos a lo largo de varios años por el impresionante detector Superkamiokande situado en el interior de la mina de Mozumi en Japón, en lo que hoy se denomina Observatorio Kamioka. Superkamiokande consiste en 50.000 toneladas de agua en un tanque de 40 metros de altura. Y es que para conseguir atrapar un puñado de neutrinos hacen falta detectores muy grandes, a pesar de que el Sol produce cantidades enormes de ellos: cada segundo atraviesan cada centímetro cuadrado de la Tierra la friolera de 10.000 millones de neutrinos procedentes del nuestra estrella. La foto que obtenemos de este modo de nuestra gran estrella es muy diferente a la que estamos acostumbrados a ver, ya que no muestra la fotosfera, la superficie del Sol, sino su núcleo, el lugar donde se producen las reacciones termonucleares de fusión.
Detectores de neutrinos en laboratorios subterráneos permitirán observar con otros ojos las explosiones de supernova que se produzcan en el futuro. Ya hay un antecedente: en 1987 explotó una estrella en supernova en la nube de Magallanes -una de las galaxias- satélite de la nuestra- y se detectaron 17 neutrinos procedentes de esa explosión, lo que proporcionó una gran cantidad de información que ayudó a comprender mejor este tipo de cataclismos estelares. Para la próxima explosión detectores mucho más sofisticados que están ya operando o se están construyendo serán capaces de detectar los neutrinos emitidos por la supernova. Curiosamente, muchos de estos detectores no tienen como objetivo fundamental la detección de neutrinos de origen astrofísico, sino que se centran en el estudio de las propiedades del neutrino.
Entre los instrumentos construidos específicamente para la observación de neutrinos cósmicos podemos mencionar y destacar IceCube y ANTARES, también conocidos como 'telescopios de neutrinos'. IceCube se encuentra bajo el hielo de Antártida, muy cerca del Polo Sur, y detecta neutrinos de muy altas energías, gran parte de ellos de origen extragaláctico, gracias a que su volumen de detección es de casi un kilómetro cúbico. Esto es posible porque, a diferencia del Superkamiokande, el IceCube utiliza el hielo como medio detector. Por su parte, ANTARES, construido a 2,5 kilómetros bajo el Mediterráneo frente a la costa de Tolón, en Francia, y su ampliación, el Cubic Kilometre Neutrino Telescope o KM3NET, de dimensiones comparables y todavía en fase de construcción, utilizan el agua salada del mar Mediterráneo como medio de detección.
La astronomía del futuro
La astronomía subterránea es un ingrediente imprescindible de la astronomía del siglo XXI, que consiste en observar el universo con todas las herramientas posibles a nuestro alcance si queremos desvelar todos sus misterios. Eso implica usar potentes telescopios que operen en distintos rangos de longitudes de onda -ya sea situados en el espacio o en la superficie de la Tierra-, detectores de neutrinos bajo tierra o bajo el mar y detectores de ondas gravitacionales instalados en la Tierra y en el espacio. Esta es la astronomía del futuro.
Laboratorios subterráneos por el mundo
Uno de los primeros fue el laboratorio de Homestake (EE. UU.), que aprovechó las instalaciones de una mina de oro que estaba en uso en esos momentos. En 1965, Ray Davis comenzó allí un experimento para la detección de los neutrinos solares, un trabajo pionero por el que en 2002 recibió el Premio Nobel de Física. El laboratorio de Homestake, reacondicionado tras el abandono de las actividades mineras, es hoy uno de los más importantes laboratorios subterráneos del mundo, SURF (Sanford Underground Research Facility). En Sudbury (Canadá), está otro de los laboratorios subterráneos más importantes, en una mina de cobre en uso. Es curioso pensar que el origen de los metales de estas minas es un meteorito que cayó sobre la Tierra en el pasado. El mayor laboratorio europeo es el Laboratorio Nacional del Gran Sasso (Italia). Este laboratorio se encuentra bajo los Apeninos, en uno de los túneles de la autopista que une Roma y Téramo. En sus instalaciones subterráneas hay una gran variedad de experimentos que tienen el objetivo de detectar tanto materia oscura como neutrinos.
En España, tenemos el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en el túnel del Somport que une España y Francia. Está excavado en una de las galerías que comunican el túnel ferroviario (en desuso desde los años 70) con el de carretera. Sus instalaciones son las segundas de Europa en tamaño y en él se desarrollan tanto experimentos de detección directa de materia oscura como dedicados al estudio de las propiedades del neutrino.
* Este artículo fue originalmente publicado en la edición impresa de Muy Interesante.
