Un gigantesco laboratorio de neutrinos en Dakota del Sur a kilómetro y medio de profundidad

Homestake fue la mayor y más profunda mina de oro de de Norteamérica hasta que se cerró en 2002 tras 125 años de funcionamiento. Este remoto lugar de Dakota del Sur se convirtió oficialmente en 2007 en un laboratorio subterráneo de física fundamental, aunque ya mucho antes se habían instalado en sus profundas cavernas algunos experimentos, incluido uno que mereció el premio Nobel. Ahora se anuncia la nueva etapa para convertir la mina en sede del megaproyecto científico más importante de las últimas décadas en Estados Unidos, el Long-Baseline Neutrino Facility, dedicado a estudiar las partículas fundamentales llamadas neutrinos.

Para hacer realidad este enorme detector de neutrinos hará falta excavar 800.000 toneladas de rocas para obtener tres gigantescas cavernas conectadas, de siete pisos de altura, a más de kilómetro y medio de profundidad, que puedan albergar los detectores y el equipamiento complementario en una superficie de 16.000 metros cuadrados. Es seguramente una de las mayores y más difíciles obras públicas de ingeniería que se realizarán en Estados Unidos esta década y se ha adjudicado a la compañía minera Thyssen Mining, ha anunciado el laboratorio nacional Fermilab, que coordina este proyecto internacional con el que Estados Unidos quiere recuperar protagonismo en la física de partículas. Se utilizarán explosivos y una tuneladora de cuatro metros de diámetro.

En los cuatro módulos de detección subterráneos en la mina, llamados DUNE y que están aislados de cualquier tipo de interferencia, se recibirá un intenso haz de neutrinos procedentes de un acelerador de partículas, la otra pata del proyecto, que se construye a 1.300 kilómetros de distancia en Fermilab (Illinois). Los neutrinos son las partículas con masa más abundantes en el Universo pero resultan sumamente difíciles de detectar porque apenas interactúan con el resto de la materia. Saber más sobre su papel en la existencia de la materia, buscar fenómenos subatómicos que contribuyan a la unificación de las fuerzas o poder ser testigos del nacimiento de una edtrella de neutrones o un agujero negro son algunos de los objetivos de este proyecto. En él participan más de 1.000 científicos de 30 países, entre ellos España, y pretende ser la base de la investigación internacional sobre neutrinos durante décadas, siguiendo en las huellas de otros detectores en lugares profundos, como el canadiense Snolab (antes Sudbury) o el italiano Gran Sasso.

El megaproyecto está financiado con fondos públicos, en su mayor parte a través del Departamento de Energía, y también con aportaciones del Estado de Dakota del Sur y donaciones como la del mecenas Denny Sanford, que dio nombre al laboratorio subterráneo en la antigua mina. Sin embargo, como en todos los grandes proyectos, el aspecto económico es un problema. Han aumentado los costes previstos sobre los 2.600 millones de dólares presupuestados, en parte porque los socios internacionales remolonean en concretar su participación, y se teme que el proyecto tenga que retrasarse o recortar sus objetivos iniciales. La pandemia del coronavirus tampoco ayuda.

Por otra parte, que empiece la excavación a gran escala constituye un hito en el proyecto científico pero desde hace años están en marcha los preparativos para construir el laboratorio. La cooperación con el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), otra gran instalación científica, es estrecha y en sus instalaciones junto a Ginebra se están ensayando los prototipos de detectores que se instalarán en Sanford, construidos con piezas procedentes de varios países. "La comunidad de física de partículas está preparándose de varias formas para cuando esté listo DUNE", ha comentado Stefan Soldner-Rembold, de la Unversidad de Manchester y portavoz de esta infraestructura. "Es un ejemplo estupendo de colaboración; mientras se excava en Dakota del Sur, los socios de DUNE en todo el mundo están diseñando y construyendo las partes de los detectores".

En la propia mina se han ensayado a pequeña escala las explosiones controladas para ensanchar las cavernas. El plan es subir las rocas a la superficie por un elevador, triturarlas y luego transportarlas por la ruta de un antiguo tranvía minero hasta una gigantesca corta a cielo abierto situada en las proximidades, que data de los años 80 del pasado siglo. Todo ello hay que hacerlo con el menor impacto ambiental posible y sin trastocar los otros experimentos que se llevan a cabo en la antigua mina. La excavación durará unos tres años y se espera que el detector esté listo en 2026.

El mayor desafío, sin embargo, vendrá después de que esté terminada la obra civil, porque los detectores contendrán unas 70.000 toneladas de argón líquido, que debe mantenerse a 184 grados bajo cero. Como hacer llegar el argón a tal profundidad y cómo mantenerlo a esa bajísima temperatura solo es posible con tecnologías que derivan de las utilizadas en la industria del gas natural. Los físicos de partículas, sin embargo, tienen ya una amplia experiencia con estos sistemas criogénicos que luego encuentran aplicaciones en otros aspectos técnicos no ligados a la investigación física, como por ejemplo en medicina.