Un buque de investigación de 72 metros, hecho para el océano, está cruzando ríos y esclusas rumbo al lago Superior con una carga poco común: cinco estructuras de unos nueve metros de alto que se hundirán en el fondo del lago para detectar neutrinos. Es el experimento END (Experimental Neutrino Detector), que patrocina DARPA, la agencia de investigación del Pentágono, y que aprovecha el haz de neutrinos que el laboratorio Fermilab dispara desde las afueras de Chicago antes de que se apague en 2027.
La instalación NuMI de Fermilab envió su primer haz de prueba en diciembre de 2004 y empezó a operar en 2005. Desde entonces, su haz de neutrinos atraviesa la Tierra en línea recta hacia el norte de Minnesota. Los neutrinos casi no interactúan con la materia: pasan por cientos de kilómetros de roca sin que nadie lo note, y por eso viajan bajo tierra sin túneles. Para verlos se usaron detectores enormes y subterráneos, como MINOS, en la mina de Soudan, a 735 km, y NOvA, en Ash River, a 810 km. Atrapar neutrinos es tan difícil que su estudio da premios Nobel, como el que este año ganó Francis Halzen por convertir el hielo de la Antártida en un detector.
La pregunta del END es si se puede hacer algo parecido en un lago, con su propia agua como detector. En 2024, DARPA abrió una convocatoria para construir un sistema capaz de detectar el haz de Fermilab y distinguirlo del ruido de los rayos cósmicos en aguas poco profundas, entre 5 y 200 metros, en el oeste del lago Superior. La Universidad de Minnesota Duluth (UMD) dirige el proyecto, con la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, Fermilab y el laboratorio Brookhaven, y describe su objetivo como detectar por primera vez neutrinos producidos en un laboratorio dentro de un cuerpo de agua natural.
Claves del experimento
- El viaje. El R/V Neil Armstrong, de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. y operado por el Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI), salió de Massachusetts el 28 de octubre. Recorre unas 2,531 millas náuticas, cerca de 4,700 km, por ríos, esclusas y canales, y llegaría a Duluth hacia el 9 de noviembre. Su capitán contó que hasta tuvieron que calcular la diferencia de flotación entre el agua salada y la dulce.
- La carga. Cinco estructuras que diseñó y armó el equipo de anclajes de WHOI, de unos 9 metros de alto y unos 3,600 kg cada una con sus sensores. El buque las bajará una por una al fondo del lago, a varios kilómetros de la costa de Two Harbors, y tenderá desde cada una un cable de fibra óptica de varios kilómetros hasta una estación en tierra.
- El blanco. Neutrinos muónicos del haz NuMI, con una energía media de entre 3 y 9 GeV. Frente a Two Harbors, a unos 636 km de Fermilab en línea recta, el centro del haz pasa a unos 5 km bajo el fondo del lago, según nuestros cálculos: el haz va en línea recta y la superficie se curva, así que la profundidad de esa línea a una distancia x de Fermilab es de unos x(735 – x) / (2 × 6,371) km. Aun así, los sensores quedan en la trayectoria del haz, porque no es un rayo fino: los piones que producen los neutrinos se desintegran en vuelo y los lanzan con un pequeño ángulo, y a cientos de kilómetros el haz ya mide kilómetros de ancho. Cinco kilómetros a 636 km de distancia equivalen a unas 8 milésimas de radián, menos de lo que se aparta del eje el detector NOvA, en Ash River, que se colocó fuera del eje a propósito.
- Un segundo lago. En el lago Vermilion, cerca de Soudan, Fermilab instala por su cuenta diez módulos cilíndricos, llamados MUM, con dos detectores planos cada uno, a unos 10 metros de profundidad. Es un montaje distinto al del lago Superior, y los dos diseños se compararán.
- El calendario. Los detectores tomarán datos durante el invierno y se retirarán en la primavera o a principios del verano de 2027. Ese mismo año, Fermilab apagará el haz. La convocatoria original pedía tener el sistema funcionando a finales de marzo de 2026, así que el proyecto llega con unos meses de retraso y poco margen.
Qué busca DARPA en un lago helado
Un neutrino no se ve directamente. En muy raras ocasiones choca con un núcleo del agua o de la roca y produce un muón, una partícula cargada que, en el agua, viaja más rápido que la propia luz en ese medio. Al hacerlo deja un cono de luz azul muy tenue, el efecto Cherenkov, y los sensores colgados de las estructuras miden cuándo y dónde llega esa luz para reconstruir la dirección de la partícula. Si la dirección y el momento coinciden con los pulsos del haz de Fermilab, es una señal; si vienen de arriba, casi siempre son muones de rayos cósmicos. Separar una cosa de la otra en agua poco profunda, sin kilómetros de roca encima que filtren el ruido, es justamente el reto que planteó DARPA.
Si funciona, abriría la puerta a detectores mucho más baratos: en vez de excavar cavernas o construir tanques, basta con hundir sensores en agua que ya existe. «Construir detectores tan sensibles abre muchas posibilidades», dijo William Pellico, director de comercialización de Fermilab. DARPA no ha explicado qué aplicación final tiene en mente, y algunos medios lo relacionaron con la vigilancia de submarinos nucleares. Es especulación: los reactores emiten antineutrinos de unos pocos MeV, mil veces menos energéticos que los de este haz, y la prueba no está diseñada para verlos.
Por ahora, lo que hay es un buque de mar abierto que pasa por esclusas para cumplir un experimento con fecha de caducidad. Si en primavera los sensores del fondo del lago Superior distinguen los neutrinos de Fermilab del ruido cósmico, habrán demostrado que un lago puede servir como detector de partículas. Y lo habrán hecho justo antes de que se apague el haz que lo hizo posible.
Más fuentes: Universidad de Minnesota Duluth, «Underwater neutrino testing in Lake Superior, Lake Vermilion to begin this fall»; Fermilab, primer haz de NuMI; DARPA, convocatoria DARPA-PS-24-15 (2024); Northern News Now, 4 de septiembre de 2026; The Timberjay, 3 de septiembre de 2026.