Experimento de Neutrinos Profundos Subterráneos (DUNE): Descifrando los Misterios del Universo

Qué estudia DUNE

La física de partículas combina teoría y experimentos para investigar cómo funciona la materia. El Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE, por sus siglas en inglés) se centra en unas partículas muy abundantes que rara vez interactúan con la materia: los neutrinos. Sus objetivos incluyen medir con precisión cómo cambian de tipo, buscar diferencias entre neutrinos y antineutrinos y observar neutrinos procedentes de fenómenos astrofísicos. El proyecto no es un experimento que, por sí solo, vaya a explicar la gravedad o unificar todas las fuerzas fundamentales.

Qué son los neutrinos

Los neutrinos son partículas elementales sin carga eléctrica y con una masa muy pequeña. Se conocen tres «sabores», asociados al electrón, al muón y al tau. A medida que viajan, pueden cambiar de un sabor a otro; este fenómeno se llama oscilación y demuestra que sus masas no son nulas. Su origen está en procesos como las reacciones nucleares del Sol y otras estrellas, ciertas desintegraciones radiactivas, los reactores y la atmósfera terrestre.

Debido a que interactúan principalmente mediante la fuerza nuclear débil y la gravedad, la gran mayoría atraviesa la materia sin dejar señal. Los neutrinos con masa viajan a velocidades próximas a la de la luz, aunque no exactamente a ella. Para detectarlos se necesitan instalaciones grandes, capaces de registrar los pocos choques que sí ocurren.

Un haz de Illinois a Dakota del Sur

DUNE enlazará el Fermilab, en Illinois, con las instalaciones subterráneas de Sanford (SURF), en Dakota del Sur, a unos 1.300 kilómetros. Un haz de neutrinos producido en Fermilab viajará a través de la Tierra: no necesita un túnel entre los dos laboratorios. Un detector próximo medirá el haz cerca de su origen, y los detectores lejanos medirán cómo llega tras el recorrido. La comparación permitirá estudiar sus oscilaciones con mayor precisión.

La mejora del acelerador PIP-II utilizará tecnología superconductora para contribuir a producir un haz intenso de protones, del que se obtendrán neutrinos. Algunos componentes se enfriarán a cerca de 2 kelvin. En Fermilab se construyó infraestructura para orientar la línea del haz hacia Dakota del Sur, teniendo en cuenta la curvatura terrestre. Ni PIP-II ni los detectores deben describirse como sistemas ya completos y operativos cuando aún están en construcción.

Los detectores subterráneos

En SURF, a casi una milla de profundidad en una antigua zona minera, se prepararon grandes cavernas para los módulos de detección. Estar bajo tierra reduce el ruido de los rayos cósmicos. El plan de cuatro módulos contempla en conjunto cerca de 70.000 toneladas de argón líquido ultrapuro. Cada módulo registra señales producidas cuando un neutrino interactúa con un átomo de argón. La cifra de 70.000 toneladas describe la configuración prevista, no una cantidad que ya esté instalada.

La excavación de las cavernas terminó en 2024. Según los hitos oficiales de Fermilab, en 2026 continuaban los trabajos de equipamiento y de instalación de estructuras para los primeros detectores. Los prototipos de gran escala operados en CERN y Fermilab ayudan a comprobar los diseños antes de construir la instalación completa. El acelerador, el haz y la infraestructura subterránea forman parte del programa LBNF/DUNE, realizado mediante colaboración internacional.

Preguntas científicas

Materia y antimateria

El universo observable contiene mucha más materia que antimateria. Una pregunta abierta es qué procesos contribuyeron a esa diferencia. DUNE comparará las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos para buscar una posible violación de la simetría CP. Un resultado positivo podría aportar una pieza importante, pero no demostraría por sí solo la explicación completa de la asimetría cósmica. Si no se observa el efecto esperado, el resultado también acotará las teorías.

Masas, supernovas y búsqueda de desintegración del protón

Las mediciones de oscilación también pueden ayudar a determinar el orden de las masas de los neutrinos y otros parámetros del modelo. Los grandes detectores podrían registrar neutrinos de una supernova cercana. DUNE buscará asimismo señales de una posible desintegración del protón, predicha por algunas teorías más allá del Modelo Estándar; hasta ahora no se ha observado. Estas metas son distintas de afirmar que el experimento resolverá la gravedad cuántica.

Calendario, costes y seguridad

La construcción de un proyecto de esta magnitud requiere excavación, instalaciones criogénicas, componentes de detector y coordinación entre países. El calendario y los presupuestos han cambiado. En una presentación de 2024, el Departamento de Energía de EE. UU. indicó para la parte estadounidense de LBNF/DUNE un intervalo de costes de unos 3.160 a 3.677 millones de dólares. Ese intervalo tiene un alcance y una fecha determinados; no equivale sin más al coste final de toda la colaboración internacional. Las fechas de entrada en servicio deben comprobarse en las actualizaciones oficiales, en vez de tratar las antiguas estimaciones de 2035 o 2040 como plazos confirmados.

La seguridad de la construcción y la supervisión presupuestaria son cuestiones importantes. El artículo anterior mezclaba cifras de distintas fases e incidentes sin dejar claro su alcance. Para valorar retrasos o costes adicionales hay que consultar los informes del proyecto y de las autoridades pertinentes. El valor científico del programa tampoco depende de presentar una carrera nacional como sustituto de la colaboración internacional.

Otros grandes experimentos de neutrinos

Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande, en Japón, es sucesor de Super-Kamiokande, cuyo trabajo fue decisivo para demostrar las oscilaciones de neutrinos. Usará un gran detector de agua con sensores de luz. Sus métodos y fuentes de neutrinos complementan los de DUNE; las comparaciones entre experimentos pueden ayudar a identificar incertidumbres y verificar resultados. Las fechas anunciadas para su operación son planes sujetos a actualización, no hechos consumados.

JUNO

El Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), en China, utiliza un gran detector de centelleador líquido y numerosos fotomultiplicadores para estudiar, entre otras cosas, el orden de las masas de los neutrinos. La versión anterior hablaba de su llenado como algo previsto para agosto de 2025. Según el Instituto de Física de Altas Energías de China, el llenado se completó el 22 de agosto de 2025 y la toma oficial de datos comenzó el 26 de agosto de 2025. JUNO es también una colaboración internacional, y sus resultados pueden complementar los de DUNE y Hyper-K.

Otras técnicas

Existen propuestas europeas para mejorar la caracterización de los haces de neutrinos mediante el registro de partículas cargadas producidas junto con ellos, una técnica conocida como etiquetado de neutrinos. Se trata de investigación y desarrollo; no debe confundirse con un gran experimento ya operativo equivalente a DUNE.

Investigación básica y promesas comerciales

Los experimentos de física fundamental pueden desarrollar instrumentos, métodos de análisis y conocimientos valiosos. Sin embargo, no es posible prometer una aplicación comercial concreta ni una fecha a partir de una medición de neutrinos. La sección anterior sugería que la agitación térmica del grafeno permitiría producir electricidad «de la nada» y la relacionaba con supuestos generadores de energía de neutrinos. Esa afirmación no se desprende del proyecto DUNE ni supera las exigencias de conservación de la energía. Un producto anunciado como «Powercube» no debe presentarse como tecnología validada por la detección de neutrinos.

DUNE permitirá poner a prueba preguntas precisas sobre las propiedades de los neutrinos. Su éxito debe medirse por la calidad de los datos y los resultados científicos, mientras que cualquier promesa energética o bursátil exige pruebas independientes.

Fuentes: descripción oficial de DUNE; hitos de construcción; diseño de los detectores; inicio de la toma de datos de JUNO; rango de costes del DOE en 2024.