El IFIC da un paso fundamental para medir el fenómeno físico más raro del Universo

El experimento NEXT comienza a funcionar con xenón enriquecido, gas con el que espera demostrar que el neutrino es su propia antipartícula. Este resultado daría respuesta a uno de los interrogantes más importantes de la Física y la Cosmología: por qué nuestro Universo está compuesto de materia y no de antimateria si en sus inicios se crearon cantidades iguales de partículas de ambos tipos. Además de liderar la colaboración internacional del experimento, el IFIC ha desarrollado el sofisticado sistema de control con el que se espera detectar el fenómeno.

A principios de febrero, el experimento NEXT, una colaboración científica internacional liderada por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), en el Parc Científic de la institución académica, comenzó a operar con xenón 136, una variedad de este gas noble con la que el equipo de investigación espera 'atrapar' el fenómeno más raro jamás observado en el Universo: la desintegración doble beta sin neutrinos. De conseguirlo, se comprobaría que el neutrino, una de las partículas elementales más abundantes, es su propia antipartícula, solucionando la incógnita sobre cómo se formó el Universo con la materia que vemos. En 2019, la segunda fase del experimento, NEXT-White, funcionará en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc con 5 kilos de xenón enriquecido gracias a un sofisticado sistema de control desarrollado por el IFIC.

NEXT consiste en una cámara de proyección temporal (TPC) llena de gas xenón a alta presión. Este detector de partículas permite registrar la firma de la desintegración doble beta sin neutrinos, un proceso tan excepcional que se calcula tardaría en producirse más tiempo que la propia edad del Universo. Para conseguirlo, NEXT utiliza un tipo de xenón (136Xe) en cuyos núcleos abundan los neutrones, el tercer elemento conocido con mayor vida media. Al concentrar un gran volumen de xenón a alta presión se espera desencadenar una desintegración de estos neutrones en un proceso cuyo resultado sería la emisión de dos electrones de similares características sin producir neutrinos, la prueba de que el neutrino sería su propia antipartícula.

Además de la configuración del detector, se requiere que el xenón enriquecido, gas noble extremadamente caro y volátil, se contenga en su interior a la presión deseada (entre 10 y 15 bares) en condiciones de pureza y estanqueidad sin precedentes en un experimento de física de partículas. Para ello, el equipo del Instituto de Física Corpuscular que lidera NEXT ha desarrollado un sistema de control que permite pérdidas de gas menores a 10 gramos por año, con varios sistemas programados de recuperación del mismo y con las condiciones de pureza requeridas para no contaminar el xenón, obteniendo solo 0,1 partes por billón de oxígeno en el sistema.

"No ha sido fácil, porque el sistema por el que circula el gas tiene un importante volumen respecto al del propio detector y más de 300 conexiones por donde se puede escapar", asegura Marc Querol, ingeniero de NEXT con un contrato técnico del Ministerio de Ciencia en el IFIC. Querol realizó el diseño y programación del sistema de control del gas, así como el método para controlar su vacío y asegurar la pureza del xenón. Se utiliza calor para 'limpiar' los componentes del sistema, y mediante espectrometría de masas se comprueba la abundancia de otros elementos como el oxígeno. "Si tenemos demasiado oxígeno en el detector no podríamos ver la señal inducida por los dos electrones que se crean al final de la desintegración doble beta", explica Michel Sorel, científico titular del CSIC y responsable de NEXT en el IFIC.

Hasta ahora, tanto NEXT-DEMO, el primer prototipo del experimento desarrollado íntegramente en el IFIC, como NEXT-White, la segunda fase instalada en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc desde 2016, han funcionado con xenón natural o xenón empobrecido, que contienen escasa concentración del isótopo 136. Solo ahora que se han alcanzado las condiciones de pureza y estanqueidad requeridas en el experimento, además de otros avances importantes en la toma de medidas en el detector, el laboratorio ha dado el visto bueno para operar con xenón enriquecido, operación que comenzó el pasado 7 de febrero y que se desarrollará hasta finales de 2019. Esta será la última fase de NEXT-White, que funciona con 5 kilos de xenón enriquecido y que sirve para comprobar la validez del experimento de cara a NEXT-100, 100 kilos de xenón que estarán operativos en Canfranc a partir de 2020.

En esta última fase de NEXT-White se espera detectar otra rara desintegración, la doble beta con dos neutrinos, cuya 'firma' es casi idéntica a la doble beta sin neutrinos, aunque su vida media es algo menor. Según Sorel, solo dos experimentos, KamLAND-Zen (Japón) y EXO-200 (EE.UU.), han sido capaces de detectar la desintegración doble beta con neutrinos, pero en fecha reciente (2011) y utilizando un volumen de xenón mucho mayor. Según Sorel, "que NEXT pueda medirlo con sólo 5 kilos sería posible porque acumula menos ruido de fondo que los otros experimentos gracias a la propia configuración del detector, que permite identificar una señal limpia". Se están estudiando otras configuraciones para NEXT-100 que permitan mejorar la identificación de la señal.

Para el investigador del IFIC, pasar de 5 a 100 kilos de xenón enriquecido en un año no será muy complicado porque "los elementos fundamentales como la vasija del detector, el revestimiento para blindar el experimento y el propio sistema de control del gas ya están preparados para NEXT-100". Así, esperan que en un periodo de 5 años NEXT demuestre su capacidad para detectar la desintegración doble beta sin neutrinos y puedan ampliarlo a la escala de la tonelada.

NEXT es una colaboración científica liderada por el Instituto de Física Corpuscular donde participan otros grupos de España (Universidades de Santiago de Compostela, Autónoma de Madrid, Zaragoza, Girona y Politécnica de Valencia), Estados Unidos, Portugal, Rusia, Colombia e Israel. Sus portavoces son Juan José Gómez Cadenas, ahora en el Donostia International Physics Center (DIPC), y David Nygren, en la Universidad de Texas en Arlington.