Megaproyectos
Observatorio JUNO: Desbloqueando los Secretos de la Masa de los Neutrinos
Capturando un Vistazo de la Partícula más Elusiva
La física fundamental siempre ha dependido de una mezcla de teoría y experimentos para avanzar en nuestra comprensión del Universo.
Hasta hoy, una de las preguntas más difíciles de responder es sobre la naturaleza fundamental de la gravedad y las fuerzas que dirigen el Universo. Ha sido sabido durante mucho tiempo que la respuesta probablemente se encuentre en una partícula elusiva y casi imposible de estudiar: el neutrino.
Una comprensión más profunda de la naturaleza de los neutrinos podría lograrse pronto gracias a un megaproyecto chino: JUNO, o el Observatorio de Neutrinos Subterráneos de Jiangmen.
Este es un facilidad masiva, que involucra una extensa cooperación internacional y años en la realización.
Debería complementar los resultados del Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos (DUNE), un detector de neutrinos estadounidense que mide neutrinos a través de 800 millas de la Tierra (sigue el enlace para una explicación completa de este megaproyecto).
Fuente: DUNE
¿Qué son los Neutrinos?
Los neutrinos son partículas neutras con una masa extremadamente pequeña, tan pequeña que se pensó durante mucho tiempo que era nula.
Actualmente, no sabemos por qué los neutrinos tienen masa, excepto que parece funcionar de una manera diferente a la de otras partículas.
Lo que hace que los neutrinos sean únicos es que son esencialmente partículas “fantasmas”, que apenas interactúan con otras formas de materia en absoluto. Esto se debe a que los neutrinos solo interactúan con 2 de las 4 fuerzas fundamentales del Universo: la gravedad y la interacción débil.
Como la interacción débil tiene un alcance muy corto, y la gravedad apenas afecta a los neutrinos de baja masa, los neutrinos generalmente pasan a través de la materia sin interactuar o ser frenados. Como resultado, los neutrinos generalmente viajan a casi la velocidad de la luz.
Los neutrinos son partículas fundamentales que no pueden descomponerse en componentes más pequeños y vienen en 3 variantes: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Para complicar las cosas aún más, los neutrinos parecen cambiar regularmente entre estas 3 variantes.
La transición entre las 3 variantes de neutrinos está vinculada a la masa de cada tipo de neutrino y contiene respuestas sobre la naturaleza fundamental de la materia y el Universo en sí mismo.
También es posible que exista un 4 tipo de neutrino además, neutrinos estériles, que interactuarían con la materia solo a través de la gravedad, lo que los hace aún más difíciles de detectar que los demás.
La mayoría de los neutrinos se producen por reacciones nucleares, desde fusiones nucleares en estrellas hasta descomposición radiactiva en el centro de la Tierra. Y dentro de reactores nucleares artificiales, un hecho importante para el diseño de JUNO.
A pesar de su elusividad, se cree que los neutrinos son la partícula más abundante en el Universo. Aproximadamente un millón de billones de neutrinos pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo.
(Puedes aprender más sobre neutrinos en el sitio web dedicado “todo sobre neutrinos” creado por Fermilab.)
Metas de JUNO – Figurando la Jerarquía de Masa de Neutrinos
JUNO está diseñado específicamente para responder a la pregunta de la “jerarquía de masa de neutrinos”, la pregunta de qué tipo de neutrino tiene qué peso.
Fuente: Berkeley Lab
Esto todavía no está claro, a pesar de que las masas de los neutrinos han sido medidas, porque lo que se mide en realidad es el “cuadrado de la masa” de las partículas. Como resultado, las matemáticas permiten 2 soluciones posibles diferentes para los resultados observados, la jerarquía normal o invertida.
“Esperamos aprender cómo surgieron los leptones” — electrones y sus parientes — en los momentos después del Big Bang, un proceso que podría explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo.
Responder a tales preguntas fundamentales solo será posible si el valor de un término llamado “ángulo de mezcla de neutrinos theta uno tres”, escrito θ13, resulta ser más que cero.
Desliza para desplazarte →
| Tipo de Jerarquía | Orden de Masa | Implicación |
|---|---|---|
| Jerarquía Normal | Más ligero = neutrino electrónico; más pesado = neutrino tau | Apoya extensiones del modelo estándar |
| Jerarquía Invertida | Más ligero = neutrino tau; más pesado = neutrino electrónico | Apunta hacia una nueva física más allá del Modelo Estándar |
Diseño de JUNO
El Heredero del Experimento de Neutrinos de Reactor de Daya Bay
El trabajo de seguimiento de JUNO se llevó a cabo en el Experimento de Neutrinos de Reactor de Daya Bay, que se estaba llevando a cabo en colaboración con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, en un momento en que la colaboración científica con China era menos controvertida.
Fuente: Wikipedia
Después del descubrimiento premiado con el Nobel alrededor de 2000 del fenómeno de oscilación de neutrinos atmosféricos y solares, las instalaciones de Daya Bay descubrieron un nuevo modo de oscilación de neutrinos por primera vez en 2012, midiendo con precisión el ángulo theta-13 mencionado anteriormente, exactamente para lo que fue diseñado.
Este descubrimiento completó el marco teórico de la oscilación de neutrinos. También proporcionó orientación para experimentos de próxima generación en la determinación del orden de masa de los neutrinos.
Selección del Lugar Correcto
El detector de Daya Bay fue concebido para detectar los neutrinos producidos por la planta de energía nuclear de Daya Bay y la planta de energía nuclear de Ling Ao.
Fuente: ResearchGate
Inicialmente, JUNO se iba a construir en un lugar cercano. Pero la construcción de un tercer reactor nuclear (la planta de energía nuclear de Lufeng) habría interrumpido el experimento, ya que depende de mantener una distancia fija a los reactores nucleares cercanos.
Así que en su lugar, se construyó en un sitio a 53 km (33 millas) de las plantas de energía nuclear de Yangjiang y Taishan.
Fuente: ResearchGate
La razón por la que la distancia a las plantas de energía nuclear es importante es que los neutrinos interactúan muy poco con la materia, pero lo hacen.
Y la interacción con los electrones de los átomos de la Tierra, a lo largo de suficientes kilómetros de rocas, afecta la oscilación entre los tipos de neutrinos entre sí.
La mayor distancia, en comparación con los 2 km de la instalación de Daya Bay, permite una mayor sensibilidad y capacidad para detectar la oscilación de neutrinos.
Sin embargo, también requiere un nivel de blindaje mucho mejorado y un detector mucho más grande para que se capturen suficientes neutrinos de reactor.
Todo el facilidad está enterrado 700 metros bajo una montaña para reducir la tasa de eventos de rayos cósmicos que interferirían con la detección de las plantas de energía nuclear cercanas.
Fuente: Global Times
Esta elección de diseño redujo el efecto de los rayos cósmicos, que de otro modo ensuciarían la señal de los neutrinos, en casi 100,000 veces.
Propuesto en 2008 y aprobado por la Academia China de Ciencias y la provincia de Guangdong en 2013, JUNO comenzó la construcción subterránea en 2015.
La instalación del detector comenzó en diciembre de 2021 y se completó en diciembre de 2024.
JUNO tiene una ventaja de primer movimiento y cuenta con un diseño experimental único en términos de física.
Como un proyecto de colaboración internacional liderado por China, JUNO fortalecerá aún más la posición líder de China en este campo.”
Una Piscina Gigante Centelleante
La estructura principal de JUNO se asemeja a una sandía sumergida en agua, con la esfera entera formando el detector de neutrinos más preciso y grande del mundo.
Para detectar la interacción de la materia normal con los neutrinos, se utiliza un líquido centelleante. Cuando un neutrino golpea, la energía se convierte en luz.
Fuente: The European Physics Journal
Esta luz luego se captura y amplifica mediante los tubos fotomultiplicadores (PMT) de 20 pulgadas y los tubos fotomultiplicadores de 3 pulgadas, así como cables, bobinas de blindaje magnético, baffles de luz y otros componentes.
El detector de centelleador líquido central en el corazón de JUNO pesa una masa efectiva de 20,000 toneladas, alojado en el centro de una piscina de agua de 44 metros de profundidad.
Fuente: Global Times
Un truss de acero inoxidable de 41,1 metros de diámetro soporta la esfera de acrílico de 35,4 metros, el centelleador, 20,000 tubos fotomultiplicadores de 20 pulgadas, 25,600 PMT de 3 pulgadas, electrónica de frontend, cableado, bobinas de compensación antimagnética y paneles ópticos.
Todos los PMT operan simultáneamente para capturar la luz de centelleo de las interacciones de neutrinos y convertirla en señales eléctricas.
Fuente: ResearchGate
Volumenes Masivos
Desde diciembre de 2024, la piscina que rodea el sistema se ha llenado con agua ultrapura a una tasa de 100 toneladas por hora.
En 45 días, el equipo llenó 60,000 toneladas de agua ultrapura, manteniendo la diferencia de nivel de líquido entre las esferas de acrílico interna y externa dentro de centímetros y manteniendo una incertidumbre de caudal inferior al 0,5%, salvaguardando la integridad estructural.
Fuente: IIHE
Este nivel de precisión y mantenimiento cuidadoso permitirá que la detección de neutrinos sea comparable, incluso si hay varios años entre cada evento.
En general, se espera que toda la instalación opere durante 30 años o más.
“Exigió no solo nuevas ideas y tecnologías, sino también años de planificación cuidadosa, pruebas y perseverancia. Cumplir con los requisitos estrictos de pureza, estabilidad y seguridad requirió la dedicación de cientos de ingenieros y técnicos.”
La piscina protege el detector de interferencias de los rayos cósmicos raros, que producen una señal similar a la detección de neutrinos que lograron penetrar la montaña de arriba, así como la radioactividad natural de la roca circundante.
La inyección de líquido ocurrirá en dos etapas. Durante los primeros dos meses, el agua ultrapura llenará los espacios dentro y fuera de la esfera de acrílico del detector central.
En los siguientes seis meses, el agua ultrapura dentro de la esfera se reemplazará con un centelleador líquido.
JUNO ha completado con éxito el llenado de su detector de centelleador líquido de 20,000 toneladas y ha comenzado a recopilar datos el 26 de agosto de 2025.
Una Colaboración Internacional
JUNO está construido por un gran equipo internacional con más de 700 miembros de 17 países y regiones. Incluso Estados Unidos está presente en la colaboración, a través de la Universidad de California (7 personas) y la Universidad de Maryland (2 personas), con la mayoría de los demás socios internacionales siendo países europeos.
Los datos generados también se tratarán a través de recursos de investigación internacionales, con la participación del Instituto Chino de Física de Alta Energía, el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia CNAF, el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Rusia y el Centro de Cálculo de l’IN2P3 de Francia.
Primeros Resultados
El 24 de agosto, se detectó la primera colisión de neutrinos con el líquido centelleante, demostrando que la instalación ahora está lista para producir datos científicos.
Fuente: EyesOnSci
Estos puntos de datos iniciales indican que, si algo, JUNO está funcionando incluso mejor de lo esperado en términos de sensibilidad y precisión de medición.
Pero todavía tomará varias semanas o meses para que se confirme la primera medición concreta de la masa de los neutrinos, y más tiempo para que la comunidad científica valide estos resultados iniciales.
Futuras Mejoras y Experimentos de Neutrinos Globales
Mejora para Detectar Antineutrinos
La primera tarea de JUNO es permitir que la humanidad sepa por primera vez la verdadera jerarquía de masa de neutrinos. Esto ha sido, durante décadas, una pieza que falta del rompecabezas para entender las partículas subatómicas, y la base del Universo en general.
Armados con no solo una respuesta, sino con mediciones mucho más precisas que antes, los físicos podrán utilizar las masas de los neutrinos para avanzar en otros campos de la física subatómica y cuántica.
Más adelante, la alta sensibilidad de JUNO debería hacer posible mejorar la instalación para resolver la otra gran pregunta sobre los neutrinos: ¿son los neutrinos sus propias antipartículas?
La mayoría de las partículas tienen una antipartícula, con características inversas como su carga eléctrica (y tal vez masa). Pero como los neutrinos son neutros y de baja masa, no está claro qué son exactamente las características de las antipartículas de neutrinos.
Al hacer posible eventualmente la detección y medición de una reacción llamada descomposición beta doble sin neutrinos, que es aún un proceso de descomposición radiactiva teórico, podría demostrar que las partículas de neutrinos son sus propias antipartículas, también llamadas partícula o fermión de Majorana.
Hyper-Kamiokand, DUNE y Otros
Hyper-Kamiokand, o Hyper-K, es el sucesor de Super-Kamiokand, que encontró en 1998 la primera evidencia sólida de la oscilación de neutrinos entre los tipos de neutrinos. Super-Kamiokande también fue fundamental para demostrar que los neutrinos tienen masa.
A diferencia de DUNE o JUNO, que buscan construir un diseño completamente nuevo de experimento de neutrinos, Hyper-K es más una mejora de la tecnología existente. Esto probablemente le permitirá avanzar más rápido, con el comienzo de operaciones tan pronto como 2027, alrededor del mismo tiempo que el estadounidense DUNE.
Esto podría ayudarlo a hacer una estimación burda de la falta de equilibrio entre neutrinos y antineutrinos.
DUNE, Hyper-K y JUNO son los proyectos de neutrinos que ya están en construcción. Otros están en la etapa de concepto, pero podrían desbloquear una comprensión aún mayor de la física de partículas.
Uno de ellos es ENUBET (Haces de Neutrinos Mejorados desde la Etiquetado de Kaones), un proyecto europeo. Intentará detectar el leptón cargado creado cada vez que se produce un neutrino. Esto podría profundizar nuestra comprensión de la falta de equilibrio entre materia y antimateria.
Otro es NuTag, que utiliza una técnica experimental novedosa: etiquetado de neutrinos. Esto utilizaría una nueva clase de línea de haz de neutrinos. Este es un diseño que ya se propuso en 1979, pero solo recientemente los detectores de silicio han podido sobrevivir a la exposición directa a un haz de fuente de hadrones, lo que lo hace posible de construir.
Conclusión
JUNO probablemente será un experimento científico muy importante para resolver finalmente preguntas sobre la física que han estado sin respuesta durante décadas, y han bloqueado el desarrollo de más progreso en la física teórica.
Aunque esto puede sonar un poco lejano de nuestras preocupaciones diarias, muchas de nuestras tecnologías de vanguardia en realidad necesitan una mejor comprensión de los neutrinos para avanzar.
Por ejemplo, un chip de computación cuántica (Majorana-1) construido recientemente por Microsoft literalmente creó un nuevo estado de la materia (topoconductores) utilizando una partícula de Majorana, el mismo tipo de partícula que JUNO podría ayudar a entender mejor.
Así que los proyectos de ciencia avanzados y colaboraciones internacionales como JUNO están allí para establecer los bloques de construcción que luego se convierten en innovaciones innovadoras.
Invertir en Innovadores de Neutrinos y Partículas de Majorana
Microsoft
(AAPL )
Microsoft es una de las empresas de tecnología más grandes del mundo, con un cuasi monopolio en sistemas operativos, y una posición muy fuerte en software B2B, a través de su software Office365, sus sistemas de computación en la nube Azure, LinkedIn, así como una fuerte presencia en videojuegos (Xbox y muchos de los estudios de videojuegos más grandes del mundo), publicidad y herramientas de programación (GitHub).
La empresa también es muy activa en inteligencia artificial, notablemente con el despliegue de su Copilot AI en todos sus productos. Los esfuerzos de Microsoft en IA inicialmente fueron a través de una colaboración con OpenAI, y ahora están más en solitario.
Fuente: Microsoft
Microsoft también está activo en computación cuántica, con el anuncio asombroso de su chip Majorana-1. Cuando se enfría a casi el cero absoluto y se ajusta con campos magnéticos, estos dispositivos forman nanocables superconductores topológicos, que contienen los llamados Modos Cero de Majorana (MZM) en los extremos de los cables.
Fuente: Microsoft
(Puedes leer más sobre todas las actividades comerciales y oportunidades de Microsoft en nuestro informe de inversión dedicado a la empresa.)
Energía de Neutrinos
Aunque rico en aplicaciones potenciales futuras, la ciencia de los neutrinos parece estar lejos de ser utilizada regularmente para aplicaciones comerciales. Esto podría estar cambiando, según una startup privada alemana muy ambiciosa, Neutrino Energy.
La empresa está explorando el concepto muy novedoso de neutrinovoltaica, o la generación de electricidad a partir del flujo constante de neutrinos que nos rodea. ¿Cómo funciona, es utilizando una capa de grafeno, un material 2D hecho de carbono (sigue el enlace para una explicación completa de los materiales 2D como el grafeno o el oro).
Este método tiene como objetivo convertir el movimiento constante de los átomos de grafeno, influenciado por la radiación y las partículas circundantes como los neutrinos, en electricidad utilizable. Aunque prometedor en teoría, el proceso todavía no está probado y sigue siendo altamente experimental. Un fenómeno similar está sucediendo con el grafeno, con los neutrinos “empujando” los núcleos atómicos, al igual que los átomos de argón en el detector de neutrinos DUNE.
La empresa ha estado anunciando su primer prototipo, llamado Powercube, que supuestamente demostrará la tecnología desarrollada con la ayuda de la IA.
La empresa también ha estado trabajando con el Centro de Materiales para la Tecnología de Electrónica (CMET) en la India, con el objetivo de “crear un vehículo eléctrico auto-cargable impulsado por tecnología de neutrinovoltaica”.
Es difícil decir cuán cerca de la comercialización está el concepto, ya que parece que, por ahora, es solo eso, un concepto con poca información sobre la posible salida de energía o la economía. Pero esto es definitivamente lo más cercano a una “empresa de neutrinos” en el mercado actualmente.
