În câteva cuvinte
Laboratorul Subteran Canfranc (LSC) din Pirineii spanioli găzduiește experimente internaționale, precum proiectul NEXT, ce vizează descoperirea naturii neutrinilor. Cercetătorii speră să înțeleagă de ce universul este dominat de materie și nu de antimaterie, testând ipoteza conform căreia neutrinii sunt propriile lor antiparticule. Laboratorul, situat sub 800 de metri de rocă pentru a bloca radiația cosmică, joacă un rol crucial în fizica particulelor și cosmologie.
Era o zi bună pentru a fi sub pământ. Canfranc, un sat cu 612 locuitori din Pirineii aragonezi, s-a trezit trist, culoarea clădirilor sale stinsă de nori impenetrabili, denşi, localnicii retraşi în casele lor, aproape niciun turist pe străzi şi un frig din acela care crapă buzele celui ce respiră. Zile ca acestea te fac, mai mult ca oricând, să te întrebi: de ce suntem aici? În Laboratorul Subteran din Canfranc (LSC), la câţiva kilometri de graniţa cu Franţa, o echipă internaţională de oameni de ştiinţă încearcă să obţină, măcar parţial, răspunsul la această întrebare care a obsedat omenirea încă de la începuturile timpului.
Este ora 10:30 dimineaţa. Carlos Peña, directorul LSC, îşi încheie şedinţa în birourile centrului de cercetare — o clădire gri, cu linii drepte ce contrastează cu munţii din fundal —, îşi îmbracă o haină de lucru galben fosforescent şi urcă în furgonetă. Pe drum spre laborator, Peña încearcă să explice cel mai important experiment în curs de desfăşurare. «Întrebarea fundamentală este: de ce natura a ales materia în loc de antimaterie?». Pentru a înţelege contribuţia LSC la răspuns, trebuie explicate mai întâi câteva lucruri.
Universul cunoscut — stelele, planetele, florile şi aerul — este format din atomi, iar aceştia se compun din trei particule fundamentale: protoni, neutroni şi electroni. Aceste trei particule sunt materie, adică au şi un contrariu: antiparticula lor. Cea a electronului este pozitronul, care are sarcină pozitivă, în loc de sarcina negativă a electronului. Dar există o altă particulă care îi fascinează pe oamenii de ştiinţă: neutrinul. Este poate cea mai specială dintre toate: există în abundenţă în univers, dar abia interacţionează cu materia, nu are sarcină negativă sau pozitivă (precum protonii şi electronii) şi traversează Pământul aproape fără a fi detectat.
Caracteristica sa cea mai interesantă este că sunt neutri, adică pot fi materie şi antimaterie în acelaşi timp. Peña explică: «În descrierea naturii pe care ne-o oferă mecanica cuantică, atunci când un lucru nu se distinge de altul, este ambele lucruri în acelaşi timp. De aceea credem că neutrinul este materie şi antimaterie». Deoarece neutrinul nu are sarcină sau structură internă, versiunea sa de antimaterie (antineutrinul) ar trebui să fie identică cu el. Acest lucru este esenţial pentru a înţelege experimentul LSC.
Peña intră în tunelul Somport, care leagă Spania de Franţa, şi avansează printr-o deviaţie interioară până ajunge la o mare poartă albă: Laboratorul Subteran din Canfranc. Are dimensiunea unei hale industriale, a fost inaugurat în 2006 şi există doar trei laboratoare similare în Europa, pe lângă cele din Statele Unite, Canada, Coreea şi Japonia. LSC este format din mai multe săli, iar în fiecare dintre ele se desfăşoară experimente diferite: unii încearcă să detecteze wimps (un posibil tip de materie întunecată), alţii caută axioni (posibile particule de materie întunecată), iar un laborator de biologie studiază cum afectează radiaţia cosmică scăzută organismele vii.
Deasupra LSC, staţiunea de schi Candanchú, 800 de metri de rocă esenţiali pentru buna funcţionare a detectoarelor găzduite în laborator. Aici, detectoarele sale extrem de fine de particule sunt aproape izolate de zgomotul universului, razele cosmice: particule de înaltă energie care vin de la Soare, de la supernove şi din alte galaxii. Când aceste raze se ciocnesc cu atmosfera, generează o ploaie de particule secundare care traversează suprafaţa. Muntele este un scut natural împotriva acestor particule nedorite.
«Dacă acest zgomot cosmic ar ajunge până aici, nu ne-ar lăsa să vedem fenomenele atât de improbabile pe care încercăm să le detectăm aici», explică Peña. Neutrinii, însă, traversează fără complicaţii muntele până la giganticul detector instalat în LSC. Este sala cea mai mare. Nu este frig. «Aici sunt 18 grade, faţă de cele opt grade la care se află muntele de afară», spune Peña.
Locul este mare ca o hală dintr-o zonă industrială. Doi operatori se mişcă prin spaţiu atingând diverse lucruri, în timp ce Peña discută scurt cu un al treilea, un om de ştiinţă venit să dea instrucţiuni şi să revizuiască dezvoltarea proiectului. Zilnic, aici lucrează aproximativ 30 de persoane, deşi echipa totală se ridică la aproape 300 de cercetători care operează de la distanţă din diferite părţi ale lumii.
În spaţiul principal, o sală vitrată în care nu se poate accesa, iar în interior, o versiune mică a maşinii cu care intenţionează să captureze acel fenomen care a fost doar teoretizat şi care le-ar permite să facă un pas către explicarea originii universului — sau mai degrabă, a existenţei noastre în univers. Experimentul face parte din proiectul NEXT, o colaborare internaţională condusă din Spania, care numără deja peste 130 de cercetători.
Peña revine la neutrini. Fizica cuantică a calculat — «credem», spune Peña — că neutrinul este materie şi antimaterie în acelaşi timp, «şi că doar atunci când îl detectăm devine una dintre cele două. Înainte de a face asta, este ambele lucruri deodată». Şi la ce foloseşte asta pentru a explica originea universului? Răspunsul final este aproape.
Dar există o mică problemă: universul ar trebui să fie vid pur. Legile fizicii spun că în Big Bang s-a creat aceeaşi cantitate de materie şi antimaterie. Acest lucru nu s-a întâmplat, deoarece existăm, şi aici rezidă una dintre marile enigme pe care încearcă să le rezolve fizica cuantică. Când o particulă de materie (un electron) se întâlneşte cu particula sa de antimaterie (un pozitron), se anihilează reciproc, lăsând doar energie (adică lumină). Dacă totul ar fi fost perfect simetric, universul nu ar trebui să existe. Matematica spune că nu ar trebui să existe galaxii, stele, planete sau oameni. Doar lumină. Dar iată-ne aici. «Cea mai mare parte a universului este lumină, noi suntem doar trei părţi la fiecare 10 miliarde», explică Peña.
Ce înseamnă asta? Că ceva a rupt acea simetrie perfectă şi a rămas un exces de materie. «Materia a câştigat cu puţin». Fizicienii nu ştiu de ce şi cred că neutrinul deţine răspunsul. «Acest fel de spion, care poate vorbi cu materia şi antimateria, a făcut ca anihilarea să nu fie perfectă şi ca materia să câştige în cele din urmă», spune el, fascinat în ciuda numărului de ori în care a explicat acest lucru vizitatorilor.
«Ceea ce încercăm să demonstrăm aici este că neutrinul este în acelaşi timp materie şi antimaterie», povesteşte în faţa detectorului pe care îl dezvoltă de ani de zile. Sperăm să fie versiunea anterioară celei definitive, care va putea detecta această interacţiune (doi neutrini anihilându-se între ei) o dată pe an. Deja au containerul, un rezervor de aproape cinci metri înălţime.
În el vor introduce tehnologia care se află acum într-unul mai mic (de aproximativ doi metri lungime) pe care îl au instalat. De ce nu se poate detecta acea interacţiune cu acesta? «Pentru că, conform calculelor noastre, s-ar putea detecta doar o dată la o sută de ani, cu un detector de această dimensiune», explică Peña.
Următorul experiment vital pentru fizică se desfăşoară în Japonia şi încearcă să demonstreze cealaltă parte teoretizată a acestei explicaţii a originii universului: că atunci când se anihilează doi neutrini, rămâne un rest de materie. Acel experiment va avea rezultate până în 2030. Cu cel de la Canfranc va trebui să aşteptăm până în 2035 pentru a afla dacă neutrinii pot fi, într-adevăr, materie şi antimaterie. «Este un răspuns esenţial. Ne-ar permite să ştim de unde venim, de unde vin piesele care ne compun. Am cunoaşte mecanismul prin care au câştigat protonii, neutronii, electronii», conchide Peña.
Ieşirea din laborator este diferită de intrare. Peña urcă în furgonetă şi spune: «Vom ieşi prin tunelul feroviar». Aici este originea LSC: un tunel, construit în 1928 pentru a conecta Spania şi Franţa, care a rămas nefolosit din 1970 după prăbuşirea unui pod pe partea franceză. Fizicianul Ángel Morales, profesor la Universitatea din Zaragoza, şi echipa sa, înarmaţi cu detectoare rudimentare şi o mare doză de ingeniozitate, au ajuns la tunel într-o furgonetă în jurul anului 1985. Au pus roţi de tren vehiculului pentru a se putea deplasa pe şinele de tren. Transportau un mic laborator mobil şi parcurgeau tunelul analizând condiţiile şi măsurând nivelurile de radiaţie.
Acel experiment improvizat a confirmat ceea ce bănuiau: masa enormă de rocă de deasupra capetelor lor bloca razele cosmice, oferind un mediu ideal pentru detectarea particulelor extrem de rare, cum ar fi neutrinii, şi posibilele urme de materie întunecată. Acea primă călătorie, realizată aproape fără resurse, a fost germenul a ceea ce, decenii mai târziu, avea să devină una dintre cele mai avansate infrastructuri ştiinţifice din Europa.
