Astronomía subterránea: cañones de barcos hundidos para buscar materia oscura

Para observar ciertos fenómenos astronómicos los científicos tienen que colocar sus observatorios bajo tierra, en túneles o minas abandonadas: es la astronomía subterránea.

 

Un equipo de arqueólogos submarinos acaba de descubrir un pecio frente a la gallega Costa de la Muerte. Tras las primeras exploraciones, los miembros del grupo coinciden en que es posible que se trate de uno de los 20 bajeles de la flota de Martín Padilla que se perdieron en un terrible temporal a la entrada de la ría de Corcubión en 1596. Se ven cañones, anclas? En 2001 la Guardia Civil recuperó una pieza de artillería que había sido recogida de las costas de Carnota (La Coruña) por un vecino del pueblo de Boiro. Quizá perteneciera a este barco? Los trabajos de recuperación son lentos y minuciosos. Cuando la totalidad del material se encuentra ya a salvo en tierra y está siendo clasificado, un misterioso personaje llama por teléfono al responsable de la excavación. Se identifica como un profesor de física nuclear y está muy interesado en ciertas piezas metálicas, como contrapesos de anclas u otras que prácticamente carezcan de valor histórico. Las negociaciones son duras pero al final el físico consigue hacerse con unas cuantas. Ya tiene las suficientes para poder comenzar su experimento: determinar cuál es la naturaleza de un tipo de materia desconocida que ocupa el 25 % del contenido total de materia y energía del Universo. Es la llamada materia oscura de la cuál sólo sabemos que existe pues no tenemos ni idea de qué es. Sólo una cosa es segura: no es como la que nosotros conocemos, de la que estamos hechos.

Galeón hundido
Galeón hundido

Aunque la escena anterior sea una ficción, pone de manifiesto algo que sí ha ocurrido y ocurre: ¿Qué interés puede tener para un físico especializado en astropartículas viejas piezas provenientes de barcos hundidos? ¿O vías de tren y tranvía de principios de siglo XX? La respuesta es bien sencilla: necesita que a su experimento no le afecte la más mínima contaminación radiactiva. ¿Por qué? Porque está a la caza de unas partículas fantasmales: los elusivos neutrinos y la aún más esquiva y misteriosa materia oscura. Ambos son de un tipo de partículas que interaccionan muy débilmente con la materia ordinaria; tan poco que, por ejemplo, un neutrino es capaz de atravesar un muro de plomo de (¡atención!) varios cientos de miles de millones de kilómetros de espesor como si fuera aire. O dicho de otro modo: de los neutrinos provenientes de las reacciones nucleares que se producen en el interior del Sol sólo detectamos uno de cada 5 000 millones de ellos... una vez que han atravesado la Tierra. Por eso algunos físicos definen al neutrino como un cuchillo muy afilado sin mango y sin hoja.

Simulación de una detección de materia oscura
Simulación de una detección de materia oscura

Astronomía bajo toneladas de roca

Semejante dificultad a la hora de detectarlos ha obligado a los físicos a tomar dos decisiones. La primera, utilizar grandes detectores: cuanta más masa tenga, más probable es que un neutrino despistado choque con algún átomo. Así, en Japón se encuentra Super-Kamiokande, un detector que contiene 50 000 toneladas de agua. La segunda es enterrar el detector bajo toneladas de roca –como el ya mencionado, que se encuentra en una antigua mina, Kamioka Mozuni–. El objetivo perseguido es blindarlo para que nada lo perturbe pues del espacio exterior nos llegan los rayos cósmicos, radiación de alta energía que produce un ruido de fondo en el detector y que enmascara la detección de los neutrinos. Es la misma situación que se nos presenta cuando queremos charlar con un amigo afónico: el ruido de otras conversaciones en un bar atestado de gente nos impide oír su voz; para escuchar el susurro de los neutrinos debemos ir a un lugar silencioso. En física de astropartículas, esos lugares son minas profundas –Kamioka en Japón, Homestake en EE UU o Sudbury en Canadá– o túneles bajo montañas –Gran Sasso en Italia o Canfranc en España–. Ahora bien, podríamos pensar que con esto es suficiente. Pero no es así. Todo lo que nos rodea es radiactivo. Esto quiere decir que la roca de la montaña, e incluso el material con el que se construye el experimento, producen un fondo de radiación. De ahí el interés por viejas vías o restos de plomo de barcos hundidos. De hecho, para las partes más delicadas, el hierro y el plomo utilizados se escogen primorosamente, de forma que tuvieron que haber sido fundidos antes de las primeras explosiones nucleares en la atmósfera y así evitar esa contaminación humana adicional. Es más, cuanto más antiguo sea, mejor. Por ejemplo, el plomo utilizado contiene un isótopo –palabra que sirve para describir las variantes atómicas que hay de un elemento químico–, el Plomo 210, que tiene una vida media de 22 años. Esto quiere decir que si tenemos un kilo de este plomo, la mitad se habrá desintegrado al cabo de poco más de dos décadas y, como en la famosa paradoja de la tortuga y Aquiles, tras otros 22 años se habrá desintegrado la mitad de lo que queda… y así sucesivamente. La consecuencia es obvia: un plomo fundido en tiempos de los romanos está más "limpio" que uno fundido en 1900. De esta manera se explica algo que de entrada, resulta chocante: para observar los neutrinos que vienen del sol o de otros fenómenos astronómicos, como las explosiones de supernova, debemos sepultar los telescopios bajo toneladas de roca; observar el cielo metidos en un agujero: esto es lo que hacen las físicos de astropartículas.

La llamada física subterránea tiene por objetivo comprender unos procesos que son muy débiles para ser detectados en la superficie debido a la gran cantidad de perturbaciones a las que están expuestos. En esencia, tres son los grandes temas de los que se ocupa: neutrinos, materia oscura y ondas gravitacionales, una de las predicciones más sorprendentes de la relatividad general de Einstein. Estas ondas son ondulaciones del tejido del espacio-tiempo del universo debido al movimiento de estrellas y galaxias o a procesos explosivos violentos, como cuando explota una supernova o revienta el núcleo de una galaxia. El efecto es el mismo que si tiramos una piedra en un estanque.

Referencias:

Ferris, T. (1997) The whole shebang, Simon & Schuster

Wheeler, J. G. (2000) Cosmic catastrophes, Cambridge University Press

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

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