En la frontera de la ciencia bajo el Pirineo aragonés

Entrevista a Carlos Peña Garay, director del Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC)

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«Laboratorio subterráneo esperando permiso en caverna para salir hacia España«. Finalizaba así nuestra visita al laboratorio subterráneo de Canfranc (LSC) guiados de la mano y la palabra de su actual director, el Dr. Carlos Peña Garay, físico teórico e investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Con una superficie de 1600 m2 y un volumen de 11000 m3 el LSC es el segundo laboratorio subterráneo más grande de Europa, solo superado por El Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italia. Excavado a 800 metros bajo la superficie del Pirineo aragonés, entre el túnel ferroviario actualmente en desuso en la frontera entre España y Francia y el túnel carretero de Somport que le da acceso, permite estudiar la materia oscura, la física de neutrinos y procesos poco usuales dentro de la física, al reducir en un factor de sesenta mil el flujo de rayos cósmicos -cascadas de partículas producidas por los protones cósmicos en su interacción con los núcleos de nitrógeno y oxígeno de la atmósfera-.

Carlos Peña junto a las instalaciones del proyecto NEXT. (Isabel del Río)

El aislamiento, el uso de materiales radio-puros en los detectores, el control del radón y del polvo, que también es radiactivo, son cruciales para asegurar que no se mide ‘ruido’ y que lo que se detecta es el fenómeno deseado. Todo ello puede, además, proporcionar desarrollos tecnológicos de interés industrial.

Aunque los laboratorios subterráneos, de los que hay en torno a 10 en todo el mundo, se dedican sobre todo a la astrofísica de partículas, sus características únicas los hacen aptos para otras áreas de la ciencia como la biología o la sismología.

Carlos Peña, con una clara vocación didáctica y despojándose de la complejidad de las matemáticas, nos acerca a los entresijos de la ‘Industria de la Ciencia. Para ello nos habla de historias en lugar de teorías, de personajes en lugar de científicos y técnicos y de amor eterno y su final para ilustrar la estabilidad de los núcleos y la radiactividad natural. Su objetivo: que todo el mundo comprenda el concepto.

El número tres también es clave en sus explicaciones: tres piezas fundamentales de la naturaleza (protón, electrón, neutrón o si lo prefieren quark arriba, quark abajo y electrón); tres personajes (físicos teóricos, físicos experimentales y técnicos e ingenieros) y la visita se centrará en tres historias o proyectos fundamentales.

En la primera historia Carlos Peña nos sumerge en el misterio de la materia oscura. En la naturaleza hay aproximadamente 5 veces más materia de la que vemos, es materia porque influye en la gravedad pero se denomina ‘oscura’ porque no la vemos (no emite ni absorbe radiación electromagnética). A pesar de su abundancia tiene interacciones tan débiles con la materia que es imposible detectarla en el exterior e incluso bajo tierra es muy difícil. Para ello, físicos de la Universidad de Zaragoza han diseñado un detector que consiste en un cristal de sal de 12.5 Kg de yoduro de sodio. Son cristales muy puros que deben estar protegidos del exterior y cuya fabricación y aislamiento con cobre y plomo debe realizarse de forma industrial. Cuando la materia oscura pase a través del detector producirá luz y con la ayuda de tubos fotomultiplicadores y amplificadores de señal se podrán medir cantidades minúsculas de luz. Otra técnica alternativa es el uso de argón líquido, que con el paso de la materia oscura interaccionaría produciendo luz y electrones detectables en presencia de un campo eléctrico.

– Pero si los detectores están aislados para no dejar pasar nada del exterior, ¿por qué la materia oscura si llega al detector?

Aunque la materia oscura sea parecida a la materia que vemos, la teoría que se basa tanto en desarrollos matemáticos como en otros resultados experimentales, avala que su comportamiento es ligeramente diferente. Las fuerzas que influyen son distintas e interacciona muy poco a nivel de núcleo.

– ¿En estos experimentos sois independientes o colaboráis con LNGS?

Este experimento en concreto es exclusivo del LSC, pero en estos momentos en el mundo hay tres laboratorios haciendo lo mismo, aunque este es el más avanzado. Se pretende repetir lo obtenido en un experimento del LNGS (DAMA/LIBRA) donde desde hace más de 15 años se ha observado  una señal que aumenta y disminuye a lo largo del año, como sería de esperar debido a nuestro movimiento alrededor del Sol. No hay ningún experimento que haya vuelto a repetir el hallazgo, por lo que la comunidad científica decidió que había que repetirlo para reproducir o refutar sus resultados.

– ¿Cuál es la relación entre LSC y LNGS?

La relación entre ambos laboratorios es muy cercana y se debe a que los dos primeros directores del LSC, Alessandro Bettini y Aldo Ianni, fueron previamente director y director científico de LNGS, respectivamente. Muchas de las estructuras que tenemos provienen del laboratorio italiano. Pero también interaccionamos bastante con el laboratorio subterráneo de Canadá (SNOLAB), un laboratorio espectacular enclavado en la galería de una antigua mina a más de 2 kilómetros de profundidad.

Nos trasladamos a una sala donde se escucha el compresor y el cryocooler para dar paso a la segunda historia y con ella al proyecto más importante del laboratorio. Para poder comprenderla es esencial conocer lo que es la antimateria, la cual está formada por antipartículas que son exactamente iguales a las partículas que conocemos pero con carga eléctrica opuesta, por ejemplo la antipartícula del electrón es el antielectrón o positrón. Los pares partícula-antipartícula tienen además la fascinante propiedad de aniquilarse cuando se encuentran dando lugar únicamente a luz.

Carlos Peña nos cuenta que han construido un cuento matemático para explicar cómo el universo nos ha creado a nosotros: «al principio en el universo existía tanto materia como antimateria, pero hubo una gran batalla y se aniquilaron entre sí. Por cada mil millones que se convertían en luz sobrevivía una de materia frente a antimateria, con lo cual, al final en el universo solo quedó mucha luz y un poco de materia. La pequeña diferencia que hizo vencer a la materia la provocó un ‘espía’ llamado neutrino, el cual se cree que tiene la propiedad de ser materia y antimateria a la vez (partícula de Majorana), cosa que todavía no se ha podido demostrar».

Desintegración doble beta con y sin neutrinos. (Isabel del Río)

Hay algunas agrupaciones de protones y neutrones que podrían pasar a un estado estable con una doble desintegración β (2 electrones + 2 neutrinos). Cabe la posibilidad de que solo salgan dos electrones y nada más, lo que requiere que el neutrino haga el doble juego de materia y antimateria y se aniquile a sí mismo en el núcleo. Se trata de un proceso bastante raro y difícil de captar que solo se produce en uno pocos elementos químicos. El 136Xe presenta esa propiedad pero se cree que ocurre una vez cada 1027 años.
Para conseguir demostrarlo nace el proyecto NEXT donde dos físicos, uno español y otro estadounidense han inventado una técnica usando 136Xe en un recipiente a presión con un detector único capaz de hacer fotografías ultra-rápidas (hasta de mil millones de fotografía por segundo) y de medir también la luz. Juan José Gómez-Cadenas delante del detector del experimento NEXT en el Laboratorio Subterraneo de Canfrac, y David Nygren, profesor de la Universidad de Texas en Arlington. / LSC/UTA
Fuente: Foto autorizada por La Agencia SINC

Juan José Gómez-Cadenas delante del detector del experimento NEXT en el Laboratorio Subterraneo de Canfrac, y David Nygren, profesor de la Universidad de Texas en Arlington. / LSC/UTA
Fuente: Agencia SINC

¿Habéis demostrado que la técnica funciona?

Sí, es una tecnología única que solo existe en España y con ella somos capaces de ver la luz y los electrones con resoluciones de energía muy importantes. El 136Xe emite electrones de dos formas, una de ellas sería el modo normal de emisión de cada electrón acompañado de un neutrino y la otra sería la emisión de dos electrones sin neutrinos. En la primera de ellas el electrón sale con un espectro de energía que ya hemos visto y medido con esta técnica. Por eso ha sido elegida como una de las tres técnicas más prometedoras para el futuro. Se trata de una técnica enteramente liderada por España aunque colaboran más de 100 investigadores de muchos países. Ahora nos falta ver la segunda reacción que corresponde a una línea concreta de energía. Pero además en esa reorganización el xenón pasará a bario y también queremos verlo, para lo que pretendemos utilizar una molécula fluorescente que cambia de color al capturar átomos cargados. Pero como la reacción doble beta sin neutrinos es un fenómeno muy poco frecuente necesitamos aumentar la cantidad de 136Xe para que el fenómeno ocurra al menos una vez al año. 

¿Quién ha evaluado la técnica para saber qué es tan prometedora?

La comunidad internacional hace informes de evaluación, concretamente la organización europea APECC (Astroparticle Physics European Consortium) es quien ha evaluado las 10 técnicas que hay en el mundo. Para las que van por delante, como es el caso del proyecto NEXT, además de la valoración científica supone también mayor aporte de dinero europeo.

¿No existe algún material que permita resultados más rápidos? 

No lo hay. Los alemanes llevan 40 años trabajando con el germanio (76Ge) y en Italia usan el molibdeno (100Mo). Nosotros en tan solo 10 años nos hemos puesto a la altura de la tecnología alemana.

¿Cómo se consigue el 136Xe? 

Se puede obtener comercialmente por extracción de los residuos del aire licuado, pero la proporción de xenón en la atmósfera es muy pequeña, 10%. Por ello, una fuente alternativa es el producido en el combustible nuclear y extraído durante el proceso de reprocesado. El proyecto NEXT 100 tiene 100 kg xenón enriquecido al 90% en 136Xe comprado a Rusia, pero necesitamos incrementar a una tonelada para que el proyecto sea efectivo.

La tercera historia está relacionada con experimentos de biología que permitan estudiar el efecto de la radiactividad en los mecanismos de reparación del ADN de las células. Nos explica que «se cree que los rayos cósmicos están creando un baño de radiactividad en las células y que su ausencia hace que no funcionen correctamente, en contra de lo esperado». Perforaron la roca del túnel y en los testigos de la misma quedaron bacterias solidificadas de hace 30 millones de años que sobreviven captando la energía de los electrones de otros materiales por lo que se denominan ‘extremófilas’. En colaboración con otros dos laboratorios construirán laboratorios de superficie para comprobar cómo la vida se adapta a algo que en principio es maligno, la radiactividad ambiental.

Aunque estos tres proyectos son los más importantes del laboratorio no son los únicos:

-¿Realmente cuantos proyectos tenéis en funcionamiento? 

Ahora mismo hay 14 proyectos en funcionamiento, de distintos tamaños y en distintos estados.

– ¿Se han visto afectados por la situación de la pandemia de la Covid-19?

Para los experimentos que estaban tomando datos incluso ha sido beneficioso, puesto que son experimentos que requieren tiempo y estabilidad. Sin embargo los que estaban en fase de construcción han sufrido retrasos de entre 3 a 6 meses. En algunos de estos experimentos tanto en España como en Italia, los físicos e ingenieros han aprovechado sus conocimientos de sistemas de gases y electrónica para construir respiradores que se han vendido en Estados Unidos y Canadá y cuya venta en España e Italia la está regulando una empresa en Italia y otra en España.

– ¿Hacéis también mediciones de materiales como servicio?

Detector de germanio. (LSC)

Sí, tenemos una sala a la que yo llamo ‘ tres estrellas Michelin’ porque hay que esperar meses para tener mesa, ya que hay que poner una muestra – nos señala una coraza de plomo en cuyo interior hay un detector de germanio – y dependiendo de la radiactividad del material se necesitan de 2 a 3 meses de medida. Colaboramos con el  laboratorio japonés en Kamioka, famoso por sus detectores gigantes de agua. Nos envían sus materiales y aquí los medimos asegurándonos de que son adecuados para sus detectores. Hay también un gran experimento, Hyper-Kamiokande, del que somos parte de la colaboración conjunta.

-¿Os afecta el plan de choque anunciado por el Gobierno el pasado mes de julio donde se aportan mil millones para la ciencia?

Directamente no nos afecta. Los números que hemos visto modifican en un 15% algunos programas, pero no resuelven el problema ya que pasa por un déficit de muchos años. Lo cierto es que laboratorios como el LSC, una ICTS (Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares), dependen de la comunidad científica y que ella esté en buenas condiciones nos beneficia. Pedro Duque ha visitado el laboratorio pero seguimos sin presupuestos generales. La cuestión es si será capaz de convencer al resto del gobierno para que de modo significativo y sostenido se  invierta en Ciencia y Tecnología.

– Habéis puesto muchas expectativas en la innovación y la colaboración con la empresa ¿Por eso la firma del acuerdo de colaboración tecnológica con Enusa Industrias Avanzadas? 

Por supuesto, el  LSC es un laboratorio cuya riqueza son los 500 científicos e ingenieros que están trabajando aquí  en experimentos. Nuestra riqueza científica se puede trasladar a otros centros y también a la empresa. Cuando trabajas en la frontera de la ciencia hay un montón de hitos que alcanzar al ir desarrollando nueva tecnología. Esto hace que con las  industrias interesadas generemos  ventajas al tener proyectos en común. Que la industria española se beneficie de nuestra ciencia es también nuestro objetivo.

Centros como el nuestro pueden hacer de conexión con la industria, centrados en tecnologías asociadas a bajo fondo radioactivo. Ahora, por ejemplo, tenemos un proyecto con Japón para la construcción de un detector gigante de agua y esperamos que la industrialización de las cubiertas de protección de 20000  tubos multiplicadores se haga desde España. 

¿Cómo ves la situación de la Física en España?

No estamos al nivel del resto del mundo, pero hay áreas en las que podemos competir y sobre todo hay sectores en la industria que deben colaborar. Se hace camino andando, pero hay que encontrar el camino a través de un proyecto en las áreas en las que todavía se pueda encontrar un nicho para nuestros desarrollos tecnológicos. El proyecto NEXT y las tecnologías de los gases nobles representan una oportunidad en áreas en las que todavía hay hueco porque son recientes y hay nuevas tecnologías que desarrollar.

¿Hay en España talento suficiente o se está escapando al extranjero? 

En España hay de todo, gente buena que se va, otros que se han ido y vuelven y otros que se quedan, pero el nivel es suficientemente bueno para competir. Quizás no tengamos las mejores universidades del mundo pero la universidad española tiene un buen promedio y no hay grandes desequilibrios. Eso es algo que hay que poner en valor y aprovecharlo ya que no es algo tan común. En Estados Unidos, por ejemplo, hay universidades fantásticas pero el nivel medio no es superior.

¿Que significaría el éxito del proyecto NEXT?

Sería la demostración de algo que todavía no hemos logrado en nuestras instituciones en España, un descubrimiento fundamental en Física, una barrera que debemos superar. En Biología, ya lo demostró Ramón y Cajal hace más de un siglo. Nos falta el premio que supone el demostrar que tenemos talento y que podemos competir desde la restauración de la democracia.

Tras esta velada tan ilustrativa nos despedimos, pero no sin antes visitar la «casa de los abetos» emblemático edificio construido en 1920 para acoger a los ingenieros de montes que trabajaron en las protecciones anti-aludes de la Estación Internacional y que hoy alberga el Museo del Laboratorio Subterráneo de Canfranc.

Bibliografía: https://lsc-canfranc.es/ página web del laboratorio subterráneo de Canfranc (LSC)