L’IFIC fa un pas fonamental per a mesurar el fenomen físic més estrany de l'Univers
L'experiment NEXT comença a funcionar amb xenó enriquit, gas amb el qual espera demostrar que el neutrí és la seua pròpia antipartícula. Aquest resultat donaria resposta a un dels interrogants més importants de la Física i la Cosmologia: per què el nostre Univers està compost de matèria i no d'antimatèria si en els seus inicis es van crear quantitats iguals de partícules de tots dos tipus. A més de liderar la col·laboració internacional de l'experiment, l'IFIC ha desenvolupat el sofisticat sistema de control amb el qual s'espera detectar el fenomen.
A principis de febrer, l'experiment NEXT, una col·laboració científica internacional liderada per l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), en el Parc Científic de la institució acadèmica, va començar a operar amb xenó 136, una varietat d'aquest gas noble amb la qual l'equip d'investigació espera 'atrapar' el fenomen més estrany mai observat en l'Univers: la desintegració doble beta sense neutrins.
D'aconseguir-ho, es comprovaria que el neutrí, una de les partícules elementals més abundants, és la seua pròpia antipartícula, solucionant la incògnita sobre com es va formar l'Univers amb la matèria que veiem. En 2019, la segona fase de l'experiment, NEXT-White, funcionarà en el Laboratori Subterrani de Canfranc amb 5 quilos de xenó enriquit gràcies a un sofisticat sistema de control desenvolupat per l'IFIC.
NEXT consisteix en una cambra de projecció temporal (TPC) plena de gas xenó a alta pressió. Aquest detector de partícules permet registrar la firma de la desintegració doble beta sense neutrins, un procés tan excepcional que es calcula tardaria a produir-se més temps que la pròpia edat de l'Univers. Per a aconseguir-ho, NEXT utilitza un tipus de xenó (136Xe) en els nuclis del qual abunden els neutrons, el tercer element conegut amb major vida mitjana. En concentrar un gran volum de xenó a alta pressió s'espera desencadenar una desintegració d'aquests neutrons en un procés el resultat del qual seria l'emissió de dos electrons de similars característiques sense produir neutrins, la prova que el neutrí seria la seua pròpia antipartícula.
A més de la configuració del detector, es requereix que el xenó enriquit, gas noble extremadament car i volàtil, es continga en el seu interior a la pressió desitjada (entre 10 i 15 bars) en condicions de puresa i estanquitat sense precedents en un experiment de física de partícules. Per a tal finalitat, l'equip de l'Institut de Física Corpuscular que lidera NEXT ha desenvolupat un sistema de control que permet pèrdues de gas menors a 10 grams per any, amb diversos sistemes programats de recuperació del mateix i amb les condicions de puresa requerides per a no contaminar el xenó, obtenint només 0,1 parts per bilió d'oxigen en el sistema.
"No ha sigut fàcil, perquè el sistema pel qual circula el gas té un important volum respecte al del propi detector i més de 300 connexions per on es pot escapar", assegura Marc Querol, enginyer de NEXT amb un contracte tècnic del Ministeri de Ciència a l'IFIC. Querol va realitzar el disseny i la programació del sistema de control del gas, així com el mètode per a controlar el seu buit i assegurar la puresa del xenó. S'utilitza calor per a 'netejar' els components del sistema, i mitjançant espectrometria de masses es comprova l'abundància d'altres elements com l'oxigen. "Si tenim massa oxigen dins el detector no podríem veure el senyal induït pels dos electrons que es creen al final de la desintegració doble beta", explica Michel Sorel, científic titular del CSIC i responsable de NEXT a l'IFIC.
Fins ara, tant NEXT-DEMO, el primer prototip de l'experiment desenvolupat íntegrament a l'IFIC –com també NEXT-White, la segona fase instal·lada en el Laboratori Subterrani de Canfranc des de 2016– ha funcionat amb xenó natural o xenó empobrit, que contenen escassa concentració de l'isòtop 136. Només ara que s'han aconseguit les condicions de puresa i estanquitat requerides en l'experiment, a més d'altres avanços importants en la presa de mesures en el detector, el laboratori ha donat el vistiplau per a operar amb xenó enriquit, operació que va començar el passat 7 de febrer i que es desenvoluparà fins a finals de 2019. Aquesta serà l'última fase de NEXT-White, que funciona amb 5 quilos de xenó enriquit i que serveix per a comprovar la validesa de l'experiment de cara a NEXT-100, 100 quilos de xenó que estaran operatius a Canfranc a partir de 2020.
En aquesta última fase de NEXT-White s'espera detectar una altra estranya desintegració, la doble beta amb dos neutrins, la 'firma dels quals' és quasi idèntica a la doble beta sense neutrins, encara que la seua vida mitjana és una mica menor. Segons Sorel, només dos experiments, KamLAND-Zen (Japó) i EXO-200 (EUA), han sigut capaços de detectar la desintegració doble beta amb neutrins, però en data recent (2011) i utilitzant un volum de xenó molt major. Segons Sorel, "que NEXT puga mesurar-ho amb només 5 quilos seria possible perquè acumula menys soroll de fons que els altres experiments gràcies a la pròpia configuració del detector, que permet identificar un senyal net". S'estan estudiant altres configuracions per a NEXT-100 que permeten millorar la identificació del senyal.
Per a l'investigador de l'IFIC, passar de 5 a 100 quilos de xenó enriquit en un any no serà molt complicat perquè "els elements fonamentals com l'atuell del detector, el revestiment per a blindar l'experiment i el propi sistema de control del gas ja estan preparats per a NEXT-100". Així, esperen que en un període de 5 anys NEXT demostre la seua capacitat per a detectar la desintegració doble beta sense neutrins i puguen ampliar-ho a l'escala de la tona.
NEXT és una col·laboració científica liderada per l'Institut de Física Corpuscular on participen altres grups d'Espanya (Universitats de Santiago de Compostel·la, Autònoma de Madrid, Zaragoza, Girona i Politècnica de València), els Estats Units, Portugal, Rússia, Colòmbia i Israel. Els seus portaveus són Juan José Gómez Cadenas, ara en el Donostia International Physics Center (DIPC), i David Nygren, en la Universitat de Texas en Arlington.
