Hyper-Kamiokande: el detector de neutrinos japonés que promete resolver los mayores misterios del Universo

En el inmenso zoológico de partículas elementales, ninguna resulta tan enigmática como el neutrino, auténticos fantasmas cósmicos: casi sin masa, sin carga eléctrica y tan esquivos que miles de millones atraviesan nuestro cuerpo cada segundo sin dejar huella.

Cada neutrino detectado es un mensaje puro que viaja desde el corazón de una estrella o una explosión supernova pues son el producto directo de los fenómenos más energéticos que existen, imposibles de observar por otros medios.

En los años veinte, los físicos notaron que la desintegración beta no conservaba la energía, algo impensable para la física. Fue entonces cuando Wolfgang Pauli propuso la existencia de una partícula invisible que escapaba sin ser detectada, llevándose la energía perdida.

Durante décadas fue solo una idea teórica hasta que, en 1956, Frederick Reines y Clyde Cowan lograron detectarlo experimentalmente, confirmando la intuición de Pauli. Aquel triunfo no sólo salvó una ley fundamental, también abrió un portal a una nueva rama de la física.

Pero demostrar que existían fue apenas el primer paso. El verdadero desafío era atraparlos en número suficiente para estudiar sus misterios. Así comenzó una serie de experimentos subterráneos en Japón con gigantescos detectores instalados bajo montañas.

El laboratorio donde los fantasmas se vuelven visibles

En las profundidades de una mina japonesa, a más de mil metros bajo tierra, se construyó el primer laboratorio dedicado a los neutrinos. El observatorio Kamiokande logró en los años ochenta la primera detección en tiempo real de neutrinos solares, abriendo una nueva ventana a los procesos que mantienen viva a nuestra estrella.

En 1987, su sucesor Kamiokande-II registró neutrinos provenientes de una supernova lejana, siendo la primera vez que la humanidad observó directamente el colapso de una estrella. Aquel logro histórico valió el Premio Nobel de Física en 2002 a Masatoshi Koshiba y marcó el inicio de una nueva era en la astronomía de partículas.

El siguiente salto llegó con Super-Kamiokande, un detector gigantesco que en 1998 reveló que los neutrinos pueden cambiar de “sabor” mientras viajan. Este fenómeno, conocido como oscilación de neutrinos, implicaba que poseían masa, algo prohibido por el Modelo Estándar de la física de partículas.

El descubrimiento fue tan trascendente que derrumbó una parte del edificio teórico más sólido de la ciencia moderna y el hallazgo le valió el Premio Nobel de 2015 a Takaaki Kajita y Arthur McDonald. Pero más allá de la gloria académica, abrió un horizonte de preguntas fundamentales que sólo un experimento aún mayor podría intentar responder.

Un coloso que cazará los secretos del universo

El proyecto Hyper-Kamiokande (Hyper-K) es la culminación de medio siglo de investigación, ocho veces más grande que su antecesor, promete ser el instrumento más sensible jamás construido. Está excavado en una caverna de 330,000 metros cúbicos y albergará decenas de millones de litros de agua ultrapura.

Su estructura parece salida de la ciencia ficción con un tanque cilíndrico de 73 metros de altura, recubierto por más de 40,000 sensores que captarán el tenue resplandor azul de la luz Cherenkov, esa especie de “boom sónico” luminoso que delata el paso de una partícula subatómica.

Cuando un neutrino choca con un átomo del agua, genera una partícula cargada que se mueve más rápido que la luz en ese medio y produce un cono de luz azul. Ese pequeño destello contiene información sobre la energía y el tipo de neutrino que lo originó, una huella que se interpretan con precisión quirúrgica.

Uno de los mayores desafíos del proyecto ha sido aislar el detector del campo magnético terrestre, lo que se logrará mediante un sistema de bobinas que generan un campo opuesto. Esta proeza tecnológica, diseñada por investigadores de la Universidad de Oviedo, será esencial para alcanzar la sensibilidad necesaria.

Lo que los neutrinos podrían revelarnos

¿Por qué existe algo en lugar de nada? Los neutrinos podrían contener la respuesta. Hyper-K buscará diferencias entre neutrinos y antineutrinos, una pista crucial sobre por qué la materia prevaleció sobre la antimateria tras el Big Bang. Detectar esa asimetría sería uno de los mayores logros en la historia de la física.

Otra pregunta crucial es si los neutrinos son sus propias antipartículas, las llamadas partículas de Majorana, confirmarlo implicaría que el universo tiene una memoria de sí mismo, una simetría rota que explica su propio origen. Este hallazgo abriría la puerta a una nueva física, más allá del Modelo Estándar.

El experimento también permitirá determinar la masa absoluta de los neutrinos, un parámetro aún desconocido. Saber cuál de los tres tipos es más masivo ayudará a comprender el papel que estas partículas desempeñan en la estructura del cosmos, desde la formación de galaxias hasta la evolución del universo primitivo.

Los neutrinos provenientes de supernovas nos permitirán asomarnos al corazón de las estrellas moribundas. Cada partícula que llegue a la Tierra será una cápsula de tiempo. Y quizá, cuando descifremos esos mensajes, comprendamos no sólo cómo se formó el Universo, sino por qué existimos en él.