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Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Parte I): buscando astropartículas en el corazón de la montaña

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En un valle entre verdes montañas encontramos la antigua estación internacional de Canfranc, un lugar con mucha historia.

Nota: El autor desea agradecer a Alfonso Ortiz y Miguel Ángel Oliván del experimento ANAIS por el agradable e informativo recorrido por las instalaciones, así como acceder a ser entrevistados para Astrobitos. También a José Luis Cebollada, de Ciencia Viva y a Carlos Pobes por haber gestionado la visita. 

Ochocientos metros bajo la roca, en el corazón de los Pirineos, cadena montañosa que sirve de frontera a España y Francia, ocupando un antiguo túnel ferroviario ahora abandonado, se encuentra una de las instalaciones de investigación en física de partículas más avanzadas, el Laboratorio Suberráneo de Canfranc (LSC). Canfranc-Estación es un pequeño pueblo turístico en un verde y encantador valle cuya existencia se debe a la excavación y explotación de un túnel ferroviario para conectar ambos países. Posee una hermosa estación internacional que desde su inauguración en 1928 hasta su clausura en 1970 sirvió de aduana y terminal de pasajeros y que ahora permanece abandonada. La historia de esta estación es muy interesante, ligada en la segunda guerra mundial a la huida de judíos de la invasión nazi a Francia, y el traspaso de oro suizo y otras mercancías de la Europa ocupada.

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Oficinas del LSC, en el pueblo de Canfranc-Estación. El monumento en primer plano está dedicado a los judíos que cruzaron la frontera (y a los que no lo consiguieron), huyendo de la ocupación nazi de Francia en la segunda guerra mundial.

Actualmente el acceso entre ambos países se hace por el moderno túnel de carretera de Somport, ubicado a algunos cientos de metros del antiguo que utilizaban los trenes, pero el servicio ferroviario no se ha vuelto a reanudar y el viejo túnel permaneció abandonado algunas décadas… al menos hasta que un grupo de físicos de partículas de la Universidad de Zaragoza (UNIZAR) en la década de los ochenta se dieron cuenta que los cientos de metros de roca que el túnel tiene encima podían proveer el blindaje perfecto para buscar partículas subatómicas provenientes del cosmos. Todo empezó con pocos recursos y mucho entusiasmo, y ha ido creciendo hasta convertirse en una instalación de investigación de primera línea, ampliándose mucho más allá del túnel original, y en la que actualmente podemos encontrar varios experimentos de instituciones españolas y colaboraciones internacionales. En el astrobito de hoy hacemos una visita a este laboratorio en el que los físicos se meten en las profundidades de las montañas para detectar las partículas que nos envían exóticos objetos astronómicos desde las profundidades del Universo.

Tuvimos la oportunidad de hacer en julio una visita guiada a las instalaciones de la mano de dos de los expertos que trabajan en ellas: Alfonso Ortiz y Miguel Ángel Oliván, del experimento ANAIS, quienes amablemente nos explicaron en detalle cómo es el trabajo en un laboratorio subterráneo. En ésta primera parte, les dejamos una entrevista con Alfonso Ortiz. Sus más de dos décadas de experiencia trabajando en el laboratorio en varios experimentos, le permiten conocer su historia e instalaciones como pocos.

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El acceso al laboratorio es por el más nuevo túnel de carretera de Somport, que sirve de frontera a España y Francia.

 

P:¿Cuánto tiempo lleva trabajando en el laboratorio y en qué proyectos ha participado?

R: Empecé a trabajar en el grupo de Física Nuclear de Zaragoza el año 1990, con una beca de técnico de apoyo a la investigación para los experimentos que se realizaban en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, que por aquél entonces consistía en dos pequeñas cavidades de 9 m² ubicadas a 780 m de la boca española del túnel ferroviario de Somport y una caseta de 15 m² situada encima de las vías del tren, que servía de control room.

Desde entonces se han realizado múltiples experimentos en las diferentes ubicaciones, enfocados básicamente a dos aspectos: averiguar la naturaleza del neutrino y la búsqueda de la Materia Oscura del Universo. Para ello se han utilizado diferentes técnicas con detectores de partículas: detectores de Germanio, centelleadores, detectores de ultra baja temperatura (bolometría).

Así mismo, se fue implementando una instalación para la medida de la radiopureza de los materiales que iban a ser usados en los diferentes experimentos, utilizando dos detectores de germanio que habían formado parte de antiguos experimentos.

P:¿Cómo surgió el laboratorio y cómo ha ido creciendo?¿Por qué Canfranc?

R: El laboratorio surgió, a mediados de los años 80, por el empuje de Ángel Morales, catedrático de Física Nuclear de la Universidad de Zaragoza, que junto con un grupo de profesores del departamento, quisieron lanzar una línea de investigación nueva en España, referente a la Física subterránea, que se caracteriza por la búsqueda de fenómenos raros, de baja probabilidad de detección y que necesitan un nivel de fondo (ruido) radiactivo lo más bajo posible. Este tipo de física estudia principalmente las propiedades del neutrino y la naturaleza de la materia oscura del Universo.

Los laboratorios que se dedican a este tipo de investigación, deben estar situados bajo tierra, cuanta más cobertura mejor, pues esta cobertura nos permitirá atenuar de una manera importante el flujo de muones y partículas cósmicas que en superficie enmascararían cualquier medida.

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Experimento ruso de detección de muones con detectores plásticos de centelleo (encerrados en las placas negras).

Animados con esta idea, buscaron una posible ubicación para un laboratorio de éstas características y encontraron en el túnel abandonado de Somport un lugar idóneo, pues el túnel atraviesa una de las cordilleras más altas de la Península Ibérica con cotas de unos 2000 m sobre el nivel del mar. Así mismo tenía un fácil acceso, el ambiente era bastante libre de polvo y había unas pequeñas cavidades, antiguos polvorines diseñados para la voladura del túnel en caso de invasión francesa, que permitían realizar pequeños experimentos y en paralelo, adquirir experiencia en las técnicas de bajo fondo.

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Cartel en el antiguo túnel ferroviario que nos indica su carácter fronterizo.

A principios de los 90, se ubicó una nueva caseta de 27 m² encima de la vía, a una distancia de 1200m de la boca española, con una cobertura de unos 400 m de roca.

En 1995, debido a la excavación del túnel internacional carretero de Somport y la necesidad de utilizar el túnel ferroviario para la extracción de los escombros de las voladuras, se excavó un agujero de 100 m², ubicado a 2500 m de la boca española y con la máxima cobertura posible en este túnel, 800m. En ésta nueva instalación se desarrollaron parte de los más importantes experimentos del grupo de la Universidad de Zaragoza.

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Alfonso Ortiz, en el laboratorio abierto en 1995, explicando el uso del plomo de baja activación que se utiliza para blindar los detectores de la radiación de fondo.

Gracias al trabajo en investigación y a las gestiones realizadas a todos los niveles, en 2003 se obtienen los recursos para construir el actual laboratorio, que ubicado a 2400 m de la boca española, dispone de una superficie experimental de 1400 m² , con todas las instalaciones y cobertura de roca necesarias para convertirlo en uno de los más importantes del mundo. A la vez que se construía el laboratorio se creó el Consorcio para la Explotación del Laboratorio Subterráneo de Canfranc, institución independiente que se encarga de la operación, servicio y mantenimiento del laboratorio, para lo que cuenta con 10 trabajadores.

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Las nuevas instalaciones, mucho más grandes, pueden albergar un número mayor de experimentos.

De éste modo, el grupo de la Universidad de Zaragoza, pasó a ser un grupo asociado al laboratorio, colaborando en todo lo necesario, y dedicándose solamente a la realización de sus experimentos.

3)¿Cuántos experimentos hay actualmente en el laboratorio?¿Son todos de la Universidad de Zaragoza?

Actualmente hay 5 experimentos, de los cuales uno es exclusivo de la Universidad de Zaragoza, participando en otros como colaboradores. Ningún experimento está en fase de toma de datos todavía.

El experimento de la Universidad de Zaragoza se llama ANAIS y busca saber más sobre la naturaleza de la Materia Oscura del Universo. Se compone por 9 detectores centelleadores de Yoduro de Sodio, instalados en un blindaje ultrapuro de plomo y polietileno, intentando ver la modulación anual de dicha materia oscura.

Otros experimentos son :

ArDM (Colaboración entre el ETH Zurich, la Universidad de Zurich , , el CIEMAT y el CERN) que busca la detección directa de partículas de materia oscura. El detector es una cámara de 2000 l de Argon líquido, en la que se crea un campo eléctrico interior para dirigir las diferentes cargas producidas por la interacción y registrar el centelleo que producen en el Argon.

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Personal de ArDM, montando el experimento. Sobre la mesa en primer plano podemos ver los fotomultiplicadores que deberán amplificar la débil señal que deje una partícula de materia oscura al colisionar con un átomo de Argon en el interior del detector.

NEXT (Colaboración entre el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), Lawrence Berkeley National Laboratory, Joint Instute for Nuclear Research en Rusia, University of Coimbra, CINEMAT, CEA, IRFU, Universidad de Santiago de Compostela, IFIC, Instituto ITACA, Universidad Politécnica de Valencia y Universidad de Zaragoza (UNIZAR))- busca cuantificar la masa del neutrino y determinar si su naturaleza es de Majorana mediante la observación de una desintegración específica y muy poco probable, la desintegración doble beta sin neutrinos, que se produce en uno de los isótopos del Xenon. Está en fase de pruebas de un prototipo de 100 kg. El experimento prevé una cámara con 1000 kg de gas a 15 bar de presión, en una cámara sometida a un campo eléctrico, con un sistema de detección similar al experimento anterior.

BiPo – (Colaboración entre el Laboratoire de l’accelérateur linéaire (LAL), Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC), IFIC, University of Osaka y UNIZAR) es un banco de pruebas para un experimento llamado SuperNemo, que se instalará en otro laboratorio subterráneo, que busca la masa de neutrino, buscando la misma desintegración doble beta sin neutrinos, que NEXT pero en Selenio. En el LSC se chequea la radiopureza de las láminas que contienen el Selenio y que luego serán introducidas en el detector.

GEODYN – (Colaboración entre otros, de el Institute of Earth Sciences, CSIC, Universidad de Salerno, Departamento de Geodinámica y Geofísica de la Universidad de Barcelona, Departament of Earth Sciences, Universidad de Zaragoza) Consiste en implementar la infraestructura necesaria para la puesta en marcha de un observatorio que consta de un sismómetro de banda ancha, un acelerómetro para movimientos fuertes, dos extensómetros laser dentro del túnel y dos estaciones de GPS en la superficie, con el objetivo de monitorizar de manera continua la actividad sísmica y las deformaciones del emplazamiento.

P: ¿Cómo se seleccionan los experimentos y cómo se les asigna espacio y tiempo en el laboratorio?

R: Existe un comité científico internacional que es el que asesora al director del Laboratorio a la hora de la selección de los experimentos, así como el seguimiento de éstos en el tiempo que están instalados. Una vez que el experimento ha sido aprobado, el staff técnico del LSC decide la ubicación ideal y la cesión de espacio para el desarrollo de las actividades relacionadas con el experimento, todo esto en estrecha relación con los responsables del experimento.

P: ¿Cuáles son los retos logísticos de construir y operar un laboratorio subterráneo como el de Canfranc?

R: Como te puedes imaginar hay un sinfín de problemas para poder llegar a disfrutar de una instalación científica como esta. Quizás el primero es conseguir el apoyo económico suficiente para la excavación y equipamiento, lo cual significa, aparte de llamar a muchas puertas, el trabajo de muchos años y mucha gente para obtener los resultados científicos suficientemente importantes, que avalasen la inversión a realizar.

El siguiente paso es encontrar la financiación para el personal y el funcionamiento del laboratorio, sin los cuales sería imposible trabajar.

En mi opinión hay dos retos principales a la hora de diseñar una instalación así, que son: la ventilación para reducir al mínimo la concentración de gas Radon que es radiactivo y dificulta reducir el fondo radiactivo, y la seguridad, por estar ubicado en lugares de difícil acceso, trabajando con materiales peligrosos (líquidos criogénicos, gases inflamables, etc) y con un número indeterminado de investigadores de distintos países, culturas, centros de investigación, que hacen de tener instalaciones y protocolos de seguridad una necesidad importantísima.

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Estas máquinas, en una esquina del nuevo laboratorio, filtran constantemente el aire para eliminar el Radon radiactivo que crea un fondo de radiación natural y puede introducir ruido en las mediciones de los experimentos.

P: ¿Qué ha aportado el laboratorio de Canfranc a la física de partículas y qué espera alcanzar en el futuro próximo?

R: A lo largo de su historia, antes de la creación del nuevo centro de investigación, en el LSC, gestionado por UNIZAR, se realizaron algunos experimentos de relevancia en los campos antes mencionados.

El experimento IGEX (1994-1998), en colaboración con dos grupos norteamericanos y dos grupos de la antigua Unión Sovietica, se estableció el mejor límite en su momento a la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos del Ge – 76, la cual es una de las maneras de conocer la masa de neutrino.

El experimento COSME, (1990-1995) también en colaboración con dos grupos norteamericanos, fue el primero en España y uno de los primeros en el mundo en buscar la detección directa de materia Oscura utilizando detectores de Germanio de bajo umbral.

Estos experimentos citados, fueros desarrollados en las viejas y pequeñas instalaciones del LSC. Con la construcción de las nuevas instalaciones y la nueva organización, esperamos que alguno de los experimentos que dentro de poco entrarán en la fase de toma de datos, tengan el resultado esperado y podamos, desde éste pequeño rincón del Pirineo aragonés, aportar nuestro granito de arena al conocimiento del Universo ….. pero para esto tendrán que pasar varios años de medidas y trabajo.

P: ¿Hay proyectadas nuevas ampliaciones para el laboratorio?

R: Creo que es muy pronto para hablar de ampliaciones, aunque siempre se está pensando en algo. El nuevo LSC tiene una corta vida y pienso que debería unificar los esfuerzos en obtener resultados con los experimentos que están instalados, que es lo que le daría prestigio y entonces se podría pensar en un programa científico más ambicioso y, quien sabe si sería necesario, entonces, realizar una ampliación de las instalaciones.

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La salida del laboratorio se hace por el antiguo túnel ferroviario. Las vías del tren están actualmente enterradas.

En la próxima entrega de éste reportaje, tendremos una entrevista con Miguel Ángel Oliván, del experimento ANAIS, que nos hablará acerca de las técnicas que usan para intentar cazar las partículas de la materia oscura. Puedes esa segunda parte aquí.

Comentarios

2 comentarios en “Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Parte I): buscando astropartículas en el corazón de la montaña

  1. Ha hecho falta que llegara un científico de otro pais para dar a conocer estos importantes experimentos que se estan haciendo en Aragón.
    Yo soy profana en las materias que se estudian pero a traves del artículo entiendo la enorme importancia de las líneas de estudio,en desarrollo,para la comprensión del universo en el que estamos inmersos…y todo esto en esta tierra maña (Que dicho sea de paso tan poco sabe promocionarse)
    Me ha gustado el artículo y estoy orgullosa de este trozo de ciencia en Huesca y de conocer a este nicaramaño
    Gracias Aitor Robleto Orús

    Publicado por maria antonia lores peco | 14/08/2016, 15:42

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