CIENCIA SUBTERRÁNEA

Publicado en Revista Persea.
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Ellos, ahora estaba demasiado claro, no se localizan en parte alguna; viven en el subte, en los trenes del subte, moviéndose continuamente. Su existencia y su circulación de leucocitos —¡son tan pálidos!— favorece el anonimato que hasta hoy los protege.

Julio Cortázar, Texto en una Libreta

Imagina que puedes observar el Universo desde las entrañas de la Tierra. Imagina que explosiones de supernovas e hipernovas, agujeros negros supermasivos en centros de galaxias, y demás eventos que ocurren a miles de millones de años luz, puedan ser observados bajo la cubierta de miles de toneladas de roca. Imagina un lugar donde la vida es escasa, pero enigmas de biología molecular pueden ser descifrados.

Aunque suene extravagante, muchas preguntas fundamentales sobre la composición y origen del Universo requieren montajes experimentales enterrados a kilómetros bajo la superficie de la Tierra para su estudio y solución. Un laboratorio subterráneo es un sueño muy caro, no obstante a punto de hacerse realidad en el cono sur.

Los cimientos

La frontera entre Argentina y Chile, una de las más largas del mundo, está delineada por la implacable topografía de la colosal cordillera de los Andes.  Conectar efectivamente a ambos países a través de vías seguras es un desafío que no puede ser eludido, por el bien económico y social de ambas naciones.

Situado estratégicamente en la franja central de Argentina se encuentra el paso de Agua Negra, una de las escasas 13 vías fronterizas bioceánicas de la región. Es una carretera lenta y peligrosa con tramos estrechos, a veces sin asfaltado, que franquea penosamente cumbres nevadas y borrascosas a más de 4700 metros sobre el nivel del mar. Los transeúntes, que no pueden más que dejarse impresionar por el paisaje formidable de los glaciares y a la vez de sentirse intimidados por los acantilados insondables, claman por una mejor vía.

 

No hace falta hacer énfasis en el enorme impacto que para la integración regional, el comercio y la salida al mar produce el mejoramiento de vías de comunicación limítrofe.  Por estas razones, ambos países han estado planificando la construcción de un túnel de 14 kilómetros de largo que atravesará la frontera entre San Juan (Argentina) y Coquimbo (Chile), justamente debajo del paso de Agua Negra. Hablamos de una obra de envergadura que se podrá catalogar entre los pasajes subterráneos más importantes del mundo.

Y es aquí donde entra la sagacidad de los científicos latinoamericanos quienes conciben al túnel de Agua Negra como algo más que una simple vía de comunicación. La comunidad científica, ávida de infraestructura para hacer experimentos en condiciones especiales ha adelantado planes para añadir a las ventajas regionales que proporciona el túnel, beneficios para la humanidad.

 

Corte longitudinal de la cordillera de los Andes por donde pasará el túnel. Diagrama del Consorcio Latinoamericano de Experimentos Subterráneos CLES. 

Corte longitudinal de la cordillera de los Andes por donde pasará el túnel. Diagrama del Consorcio Latinoamericano de Experimentos Subterráneos CLES.

Ubicación del Paso de Agua negra. Elaboración propia con Google Maps. 

Ubicación del Paso de Agua negra. Elaboración propia con Google Maps.

 

Una visión del Universo desde las profundidades   

Una amplia gama de áreas de investigación se pueden abordar en laboratorios subterráneos: desde astronomía y física subatómica, hasta geología y ciencias de la vida . Muchos científicos pasan la vida cazando literalmente un huequito con infraestructura para hacer observaciones que de otra manera serían imposibles o excesivamente costosas.

Algunos grupos de investigación han logrado instalar temporalmente equipos de experimentación en minas, pero casi ninguno se ha logrado mantener por largo tiempo. Un ejemplo es un experimento de observación de materia oscura en una mina de hierro en Argentina en 1995 y otro en una mina de oro en Sudáfrica en 1965 que contribuyó al descubrimiento de los neutrinos atmosféricos. Es por esto que la oportunidad dorada de usar la construcción civil del túnel de Agua Negra no puede ser desperdiciada.

Pero, ¿qué busca un científico en las profundidades que no encuentra en la superficie?

No hay mejor ejemplo que el de la fiesta. La música está a todo volumen, tumultos de gente hablando, algunos gritan, es incluso difícil comunicarte con tus compañeros de mesa. En medio de todo ese desbarajuste, un amigo quiere pasarte un mensaje desde la puerta, pero él solo puede susurrar, ¿cómo haces para escuchar el mensaje? Los científicos se enfrentan a este problema en todo momento: poder identificar un mensaje o una señal muy débil producida por una fuente en medio de una cantidad de ruido ambiental.

En el caso de las investigaciones científicas subterráneas, el ruido que se quiere eliminar es debido a la radiación nuclear y cósmica que puede tener origen local o extraterrestre, incluso de los lugares más remotos del Universo.

 

Diagrama del Consorcio Latinoamericano de Experimentos Subterráneos CLES. 

Diagrama del Consorcio Latinoamericano de Experimentos Subterráneos CLES.

La radiación cósmica está compuesta de partículas subatómicas procedentes del espacio exterior:  del Sol, de eventos catastróficos como supernovas o hipernovas, de agujeros negros supermasivos de galaxias lejanas, entre otros.  En su trayectoria, estas partículas  pasan por la Tierra e impactan permanentemente los átomos de la alta atmósfera o ionósfera produciendo cascadas con miles de millones de más partículas subatómicas o rayos cósmicos atmosféricos. Muchos pierden energía y se absorben en el aire dejando un flujo de millones por metro cuadrado por día que llegan a la superficie. Una vez que llegan al suelo, la roca sólida es capaz de filtrarlos muy efectivamente, dejando un flujo insignificante después de unos cientos de metros de espesor.

El recientemente creado Consorcio Latinoamericano de Experimentos Subterráneos está integrado por científicos visionarios de la región, quienes se plantean como objetivo impulsar el avance de las ciencias hechas en el subsuelo. Por iniciativa del consorcio y junto con investigadores de diversas universidades nace el proyecto ANDES: Agua Negra Deep Experiment Site, (en español: Sitio para experimentos de profundidad en Agua Negra), un complejo de investigaciones subterráneo será edificado dentro del túnel de Agua Negra, cerca del límite entre Argentina y Chile.

Esa ubicación asegura un espesor de roca unos 1750 m, que servirá de magnífico filtro natural a la radiación cósmica , reduciéndola más de un millón de veces en intensidad ¿Recuerdas la fiesta ruidosa y el mensaje de tu amigo que está lejos?, bueno, la inmensa montaña de Agua Negra servirá como gran aparato natural para eliminar el ruido del Universo que nos molesta y no nos deja ver ciertos fenómenos que nos llegan como susurros de regiones muy lejanas del Universo.

Un laboratorio subterráneo multidisciplinario

El complejo de laboratorios ANDES albergará varios experimentos y observatorios de diferentes áreas del conocimiento. Los investigadores planean hacer estudios sobre materia oscura, neutrinos, biología molecular y sísmica. Veamos los detalles.

Detección de materia oscura.

Los astrofísicos manejan una cantidad sobrecogedora de evidencia que apunta o bien a que las teorías gravitacionales existentes requieren modificación o bien que el Universo posee mucha más materia que la observada con telescopios. Este exceso de materia, nada menos que el 85%, se conoce como materia oscura. Sin duda, determinar la naturaleza de la materia oscura es uno de los problemas más importantes en la cosmología moderna y la física subatómica, con grandes consecuencias sobre nuestra comprensión del Universo.

Esta imagen compuesta muestra el cúmulo de galaxias 1E 0657­56, formado después de la colisión de dos grandes conglomerados de galaxias. El gas caliente detectado por el telescopio de rayos X “Chandra”, representado por el color rosado, contiene la mayor parte de la materia ordinaria. Las regiones en azul muestran donde debería estar la mayor parte de la masa según efectos gravitacionales (usando la técnica de los lentes gravitacionales). La mayoría de la materia, en el lado azulado, está claramente separada de la ordinaria (región rosada) y no es observable directamente. La mejor explicación de la que se dispone es que allí hay Materia Oscura. Imagen cortesía: Colaboración Chandra, Universidad de Harvard.

Esta imagen compuesta muestra el cúmulo de galaxias 1E 0657­56, formado después de la colisión de dos grandes conglomerados de galaxias. El gas caliente detectado por el telescopio de rayos X “Chandra”, representado por el color rosado, contiene la mayor parte de la materia ordinaria. Las regiones en azul muestran donde debería estar la mayor parte de la masa según efectos gravitacionales (usando la técnica de los lentes gravitacionales). La mayoría de la materia, en el lado azulado, está claramente separada de la ordinaria (región rosada) y no es observable directamente. La mejor explicación de la que se dispone es que allí hay Materia Oscura. Imagen cortesía: Colaboración Chandra, Universidad de Harvard.

Las observaciones hechas con el telescopio Chandra, lanzado al espacio en 1999, indican que las interacciones de la materia oscura son muy débiles. En general la materia oscura debería estar compuesta de partículas muy estables. La mayor parte de las partículas elementales decaen en otras partículas. Estos decaimientos ocurren en tiempos sumamente cortos, en fracciones de segundos. Mientras que algunas como el protón y el electrón nunca decaen o su vida es tan, pero tan larga que no hemos logrado observar su decaimiento. A este tipo de partículas que no se ven decaer se califican como estables. Observaciones cosmológicas indican que la materia oscura siempre ha estado allí, desde las edades tempranas del Universo, por esto se cree que de existir, la materia oscura es sumamente estable.

Por otro lado, todo apunta a que no pueden ser muy masivas, de lo contrario formarían conglomerados por gravedad y eso no se observa. Los modelos cosmológicos requieren que la materia oscura sea fría o no bariónica. Materia bariónica o los bariones son partículas compuestas de quarks como lo neutrones y protones.

Por todas estas razones detectar materia oscura requiere de un montaje experimental que logre eliminar en gran medida el ruido del fondo cósmico.

El sistema solar en su travesía por la Vía Láctea, en principio, transita un halo de materia oscura. Según los modelos una variación estacional de la señal de materia oscura debería detectarse durante la translación de la Tierra alrededor del Sol. La colaboración científica DAMA/LIBRA, del laboratorio nacional subterráneo del Gran Sasso en Italia, ha reportado haber observado la variación en la señal en el halo de materia oscura. Si bien la señal es extremadamente clara, según revelan los datos, no hay consenso científico en la interpretación. Por lo que se requieren más y mejores experimentos.

Captura de neutrinos

Los neutrinos son partículas subnucleares muy livianas con respecto al resto de las sustancias subatómicas conocidas. No tienen carga eléctrica, de modo que se pueden generar en diferentes regiones del Universo y viajan por el espacio recorriendo miles de millones de años luz sin ser desviados por campos magnéticos, incluso pueden atravesar toda la atmósfera y hasta cientos de kilómetros de roca sólida o agua, sin interactuar con absolutamente nada.

Las muy antipáticas sustancias sólo participan en reacciones nucleares conocidas como electrodébiles, donde intervienen fuerzas de muy corto alcance, estamos hablando de distancias del tamaño de un protón.

En otras palabras, los neutrinos son prácticamente inatrapables, sumamente escurridizos a los montajes experimentales, muy difíciles de desviar y detectar. A causa de todo esto, al eliminar el ruido cósmico en los laboratorios de profundidad, lo único que queda de la materia conocida es justamente eso: los neutrinos.

Gran detector de neutrinos de Daya Bay, EE. UU. Foto de Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory.

Gran detector de neutrinos de Daya Bay, EE. UU. Foto de Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory.

En su viaje a la tierra, los neutrinos sufren trastorno de personalidad, esto es, cambian entre los tres tipos o sabores que los clasifican, propiedad que se conoce como oscilación de neutrinos. Este descubrimiento lo debemos principalmente a los profesores Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald, a quienes se les otorgó el premio Nobel de física 2015 por su hallazgo. Y es que este comportamiento de los neutrinos no es poca cosa: revela su naturaleza masiva, característica que no está contemplada en los modelos actuales de partículas subatómicas.

El estudio detallado de los neutrinos y de sus oscilaciones es imprescindible para nuestro entendimiento de la naturaleza. Tanto los rayos cósmicos como los neutrinos cuentan la historia de los orígenes de nuestra galaxia, nuestro grupo local y del mismo Universo, por eso es fundamental atraparlos. ANDES albergará una instalación para detectar neutrinos que permitirá a los científicos ahondar en la comprensión de su origen y propiedades.

Daños al ADN

ADN dañado siendo reparado por la enzima ligasa. Imagen de Tom Ellenberger, Washington University School of Medicine in St. Louis.

ADN dañado siendo reparado por la enzima ligasa. Imagen de Tom Ellenberger, Washington University School of Medicine in St. Louis.

La radiación cósmica produce ionización de los átomos y las moléculas y por supuesto que esto tiene efectos en el desarrollo de los seres vivos. La posibilidad de tener un ambiente protegido de la exposición a la radiación permite evaluar su impacto sobre numerosos procesos biológicos.

Por ejemplo, los daños que sufren las moléculas de ADN pueden ser causados tanto por el metabolismo celular como por agentes externos, como los rayos cósmicos. No obstante, se han observado células no expuestas a la radiación ionizante que muestran deterioro. Un laboratorio subterráneo podría ser clave en el estudio riguroso de la influencia de la radiación en el daño y reparación del ADN y de otros procesos metabólicos de las células. Estos experimentos son relevantes en estudios de generación de patologías serias como el cáncer y en el entendimiento de los procesos de envejecimiento celular.

Estudios geológicos

Detalles de zona de subducción, imagen de Wikipedia

Detalles de zona de subducción, imagen de Wikipedia

El laboratorio ANDES quedará ubicado en una zona geológica de subducción, esto es, una zona en la que una placa tectónica de la corteza oceánica se hunde debajo de una placa tectónica de la corteza continental. En este caso la placa oceánica es la de Nazca y la continental es la placa Sudamericana. Este mecanismo de subducción es el que da origen justamente a la cordillera de los Andes. La región del paso de Agua Negra tiene la particularidad de que no tiene volcanes, de modo que es ideal para hacer mediciones geofísicas de bajo ruido sísmico. El plan consistiría en colocar sismógrafos, medidores de campo magnético y gravitacional de alta sensibilidad dentro del túnel, permitiendo una visión única de la actividad sísmica de la región y del estudio de la dinámica de la tectónica de placas.

 

 

Los laboratorios subterráneos no son cosa rara hoy en día.  Existen unos 12 a nivel mundial y hay otros en construcción. Eso sí, casi todos están ubicados el hemisferio norte. En el hemisferio sur hay sólo dos proyectos de construcción de laboratorios subterráneos de profundidad, uno de ellos es el Laboratorio de Física Subterráneo de Stawell en Australia y el segundo es precisamente ANDES.  Aunque de altura, ANDES sería el tercer laboratorio más profundo del mundo, después de Jin Ping en China y el Observatorio de neutrinos de Sudbury en Canadá proporcionando una visión exclusiva del Universo desde América Latina.

Para saber más

  1. En la página web ANDES encontrarás información actualizada en la medida que progresa el proyecto.
  2. Bertou, X., (2013). The ANDES Deep Underground Laboratory, 33rd International Cosmic Ray Conference, Rio de Janeiro, Brasil. The Astroparticle Physics Conference. arXiv:1308.0059 [astro-ph.IM]
  3. Sidelnik, I. (2013). Astroparticles in Latin America: current status and outlook. 10th Latin American Symposium on Nuclear Physics and Applications, Montevideo, Uruguay. arXiv:1407.8117 [astro-ph.IM]
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