El Laboratorio Subterráneo de Canfranc juega un papel esencial en la búsqueda de fenómenos nucleares y subnucleares extremadamente inusuales, como la oscilación de neutrinos. Casi indetectables y con masas extremadamente pequeñas, son partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz y resultan fundamentales para entender el universo. Estas partículas elementales desafían la comprensión convencional de la materia y la energía. 

Gerard O. Blanco

Uno de los fenómenos más fascinantes relacionados con los neutrinos es su capacidad para cambiar de tipo mientras viajan a través del espacio, proceso conocido como oscilación de neutrinos. Cambian de un sabor (de familia) a otro a medida que viajan por el espacio. Un neutrino asociado a uno de los tres leptones, (electrón, muón y tau) puede ser detectado como un tipo diferente. Identificados como partículas subnucleares, tienen una masa tan pequeña que durante mucho tiempo se consideró nula. Esta característica les permite viajar casi a la velocidad de la luz, sin perder energía significativa en el camino.

Los neutrinos se originan en diversos procesos astrofísicos, como la fusión nuclear en el Sol o las explosiones de supernovas, y son esenciales para comprender los acontecimientos más extremos y energéticos en el universo. El estudio de su oscilación tiene amplias implicaciones en la física de partículas y la astrofísica. Por un lado, proporciona información crucial sobre sus propiedades fundamentales y, por otro, la detección de neutrinos oscilantes puede revelar pistas sobre procesos cósmicos extremos, como la formación de agujeros negros o la producción de elementos pesados en supernovas. Experimentos de neutrinos, como Super-Kamiokande en Japón e IceCube en la Antártida, han desempeñado un papel crucial en la detección y caracterización de la oscilación de neutrinos. Estos experimentos utilizan detectores masivos ubicados bajo tierra o en el hielo para capturar los neutrinos que interactúan con la materia circundante, proporcionando datos valiosos para entender este fenómeno esquivo.

Objetivos del LSC

Entre los objetivos fundamentales del LSC figura la búsqueda de fenómenos nucleares y subnucleares extremadamente inusuales, como la oscilación de neutrinos. Para ello, precisan un ambiente de muy bajo fondo radiactivo. El ruido de fondo irreducible originado por los protones es debido a los rayos cósmicos y otros núcleos, al golpear los núcleos de nitrógeno u oxígeno en la capa alta de la atmósfera. La interacción de los protones provoca una cascada de partículas, siendo muones y neutrinos las más penetrantes. Los muones alcanzan la superficie de la Tierra con un flujo de unos 2 muones/cm2 /segundo. A 800 m de profundidad, bajo el Monte Tobazo, el flujo de rayos cósmicos se reduce en un factor de sesenta mil, lo que permite la búsqueda de procesos muy poco probables.

Infraestructuras subterráneas, como el LSC, alojan experimentos que proporcionan información científica complementaria a la obtenida por otros laboratorios con aceleradores. De hecho, los primeros elementos de la física, más allá del modelo estándar, se obtuvieron mediante experimentos subterráneos. Sirva como ejemplo el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos debidas a su cambio de sabor, entre producción y detección debido a sus diferentes masas.

El interés por la ciencia que se está llevando a cabo en laboratorios subterráneos sigue creciendo en todo el mundo. Existe gran competencia a nivel internacional con nuevas propuestas de infraestructuras subterráneas. Entre ellas, las más relevantes en el contexto de ultra-baja radiactividad son la búsqueda de materia oscura, la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos, cuyo descubrimiento permitiría explicar la supremacía de la materia sobre la antimateria en las primeras fases de la formación del universo conocido, y la exploración de las condiciones de vida en bajo fondo radiactivo.

En el marco del desarrollo de experimentos gigantes en laboratorios subterráneos, el LSC coordina la contribución española a la construcción del proyecto internacional Hyper-Kamiokande en Japón, versión colosal de los exitosos y premiados Kamiokande y Super-Kamiokande, que se convertirá en el experimento líder en la exploración de propiedades fundamentales de los neutrinos, simetrías en el MS y la exploración de los procesos nucleares en la evolución de las estrellas a partir de 2027.

Experimentos nucleares del LSC Investigadores de las instituciones participantes en el consorcio español –Centro Internacional de Física de Donostia, universidades de Girona, Oviedo, Politécnica de Valencia y Santiago de Compostela (USC)– y el LSC son responsables del diseño y producción de 20 400 cubiertas de grandes tubos fotomultiplicadores (20″), de los sistemas de ventilación y de compensación geomagnética, de los módulos electrónicos de procesamiento de datos y de las fuentes de radiación para calibración.

Estos proyectos han sido posibles gracias a fondos de investigación que se enmarcan en el Mecanismo Europeo de Recuperación y Resiliencia, el acuerdo del LSC con el ICRR de la Universidad de Tokio (UTokio) y el memorando de entendimiento firmado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) de España, la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK) y UTokio en agosto de 2022.

El LSC, con instalaciones y tecnologías singulares en un entorno excepcional, ha creado un programa de atracción de personal científico y técnico de otras instituciones, residentes de larga duración en el LSC, y compite por atraer talento para aumentar la capacidad del LSC en los grandes proyectos, técnicas de bajo fondo radiactivo y las nuevas líneas estratégicas de la década.