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Una constelación mundial de detectores de neutrinos está ofreciendo una visión inédita de los elementos radiactivos que alimentan el motor térmico de la tectónica terrestre.
Un artículo de James Dinneen. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.
Se espera que el experimento JUNO, ubicado en las afueras de la ciudad de Guangzhou en China, reporte sus primeras detecciones de geoneutrinos este año. Fuente: JUNO Collaboration
En un laboratorio a 2 kilómetros bajo tierra, una grúa baja a Matt Depatie, tecnólogo de detectores, a través de una escotilla hasta una caverna de paredes blancas llena de unas 7.000 toneladas de agua ultrapura que brilla con un azul tan intenso como el del líquido limpiaparabrisas bajo la luz. «Splashdown», dice Depatie por radio al pisar una balsa inflable que lo espera abajo.
Normalmente, la caverna es uno de los lugares más oscuros de la Tierra, pero hoy está iluminada para realizar tareas de mantenimiento, lo que ofrece una rara oportunidad de ver su interior. Miro a través de la escotilla a Depatie mientras rema hasta el experimento sumergido para examinarlo. Está inspeccionando un detector del tamaño de una casa construido para captar algunas de las partículas más esquivas que conoce la física: los neutrinos.
Este es el experimento de neutrinos SNO+, enterrado en las profundidades de la mina Creighton, en Snolab, un laboratorio de física subterráneo en Sudbury, Canadá. SNO+ consiste en una esfera de acrílico revestida con casi 10.000 detectores sensibles a la luz y llena de 780 toneladas de líquido centelleador oleoso, que emite destellos cuando lo atraviesan partículas energéticas. El agua que rodea el dispositivo y la roca que lo cubre protegen el detector del resplandor de la radiación cósmica, permitiendo que se hagan visibles los destellos de interacciones menos frecuentes entre partículas.
Todo el descenso ha formado parte de la cruzada por mantener una oscuridad absoluta, incluso más allá del espectro visible de la luz. Al bajar por el pozo principal y caminar por un túnel rocoso hasta el laboratorio, nuestros cuerpos y nuestra ropa recogieron pequeñas cantidades de polvo radiactivo de radón. Antes de entrar en el espacio principal del laboratorio, nos quitamos la ropa de mina, nos duchamos y nos pusimos monos azul eléctrico y redes para el pelo para minimizar la contaminación que llevábamos con nosotros. «Las duchas no son para vosotros», dice Depatie mientras nos cambiamos, «son para la ciencia».
Matt Depatie (izquierda) ayuda a mantener el detector SNO+, que reutiliza componentes del experimento SNO que se llevó a cabo entre 1999 y 2006. Foto: James Dinneen
Estos extremos son necesarios cuando se trata de atrapar fantasmas, en este caso, fantasmas que pueden ayudar a revelar los secretos de regiones inaccesibles en las profundidades de la Tierra.
Un planeta radiactivo
Los neutrinos son las partículas dotadas de masa más abundantes. Pero esa masa es minúscula: apenas una millonésima de la masa de un electrón. Con tan poca masa y sin carga electromagnética, estas partículas apenas interaccionan con la materia. Billones de neutrinos, en su mayoría producidos en el Sol, atraviesan nuestros cuerpos cada segundo; sin embargo, tras años de buscarlos con detectores como SNO+, los investigadores solo han capturado unos pocos cientos de miles de sus preciosos destellos.
Aún más esquivos, tanto que, tras décadas de búsqueda, los científicos solo han detectado unos pocos cientos, son los geoneutrinos.
Los geoneutrinos se producen en procesos que calientan el interior del planeta. Este calor desempeña un papel importante en el movimiento de las rocas del manto, que da forma a todo, desde la tectónica de placas hasta el campo magnético terrestre. Procede de dos fuentes principales: el calor residual de la formación del planeta y el calor producido por la desintegración del uranio, el torio y el potasio en las rocas del manto y la corteza. Sin esta segunda fuente, la Tierra se habría enfriado hace mucho y se habría convertido en un planeta tectónicamente muerto.
El experimento SNO+ se ubica a gran profundidad bajo tierra, protegido de los rayos cósmicos bajo dos kilómetros de roca. Cortesía de Leo Duquette/SNOLAB
Al contar geoneutrinos, los físicos pueden obtener una medida directa de los elementos de la Tierra que producen calor. «Es lo único que hacemos que se centra en la Tierra», afirma Ryan Bayes, astrofísico de partículas de Queen’s University, en Ontario, que trabaja en SNO+. «Todo lo demás se centra más en lo que recibimos de otros lugares del universo».
La primera detección de geoneutrinos, realizada por un instrumento en Japón llamado KamLAND, se comunicó en 2005. En 2009, el detector Borexino, en Italia, informó de la detección de varias docenas más. En noviembre de 2025, SNO+ comunicó su primera detección, elevando en unos 50 el número de geoneutrinos observados.
Ilustración: Mark Belan/Quanta Magazine
Lo que hace especiales las detecciones de SNO+ es la ubicación del experimento: son los primeros geoneutrinos medidos en el hemisferio occidental, lo que ofrece una nueva perspectiva del interior radiactivo de la Tierra.
Persisten importantes incertidumbres en la interpretación de los resultados de estos experimentos, pero las mejores estimaciones de los investigadores sugieren que cada emplazamiento mide un flujo diferente. «Podría ser el primer indicio de que el manto no es uniforme», comenta Mark Chen, astrofísico de partículas de Queen’s University y director de la colaboración SNO+.
Los geoquímicos han supuesto tradicionalmente que los elementos radiactivos se distribuyen de manera uniforme por el manto, porque la roca en movimiento debería mezclarlo todo. Pero las mediciones de geoneutrinos en distintos lugares podrían indicar que no es así.
Las regiones que parecen producir más geoneutrinos se sitúan aproximadamente por encima de masas de material anómalamente caliente y denso del tamaño de un continente, conocidas como grandes provincias de baja velocidad de cizalla (large low-shear-velocity provinces, o LLSVP), que los sismólogos han cartografiado a ambos lados del núcleo. Una se encuentra bajo África y la otra bajo el océano Pacífico. «Puede haber estructuras profundas en el manto que no se entienden», dice Chen. «Podría ser que [ellas] concentren ciertos tipos de elementos».
Los neutrinos podrían ofrecer algún día una nueva perspectiva sobre el origen, aún misterioso, de estas estructuras profundas y, de forma más amplia, sobre los patrones del manto que subyacen a muchos aspectos del sistema Tierra. «Realmente sería una forma de elaborar un mapa químico del interior de la Tierra», afirma William McDonough, geoquímico de la Academia China de Ciencias que lleva mucho tiempo siendo una voz destacada en la búsqueda de geoneutrinos.
Captación de geoneutrinos
La cuestión pendiente es si las mediciones de geoneutrinos revelan diferencias entre las zonas del manto situadas bajo cada experimento, o si el desequilibrio se origina en la forma en que los distintos experimentos cuentan sus geoneutrinos. Los investigadores coinciden en que aún hay tanta incertidumbre que es imposible afirmarlo.
«Si lo tomamos al pie de la letra, podríamos decir que quizá el hemisferio occidental tiene mucho más material radiactivo que el oriental», comenta McDonough. Pero hay motivos para desconfiar de estas estimaciones. «¿Tienen razón los italianos? ¿Tienen razón los japoneses? ¿La tienen ambos? ¿O hay algo que no cuadra?», pregunta.
El experimento Borexino, ubicado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (Italia), fue diseñado principalmente para estudiar los neutrinos provenientes del Sol. Foto: Volker Steger/LNGS-INFN
Las incertidumbres asociadas a los resultados de cada detector provienen del proceso de clasificación que realizan los físicos para identificar los geoneutrinos, explica Bayes. «No aparecen y dicen: “Hola, soy un geoneutrino”».
Los científicos deben eliminar las señales de partículas con demasiada energía, de partículas con un valor incorrecto de una propiedad llamada helicidad y de partículas que esperan detectar procedentes de reactores nucleares. También deben eliminar los geoneutrinos procedentes de la corteza terrestre, cuya mayor contribución procede de la zona situada a unos pocos cientos de kilómetros del detector. Cuando se restan esas otras detecciones del recuento total, debería quedar solo la señal de geoneutrinos procedente del manto.
En términos generales, el flujo de geoneutrinos del manto parece ser muy alto en Borexino y muy bajo en KamLAND, aunque las incertidumbres son grandes. Una interpretación geológica detallada de los resultados de SNO+ aún está en preparación, indica Chen, pero hasta ahora los científicos ven un manto «bastante intermedio» bajo Canadá.
Un reto particular para los científicos de SNO+ es comprender los neutrinos procedentes del entorno del detector, incluida una cuenca formada hace 1.800 millones de años por un gran cuerpo impactor. «Hay muchas incógnitas en esta zona geológica», explica Virginia Strati, investigadora de la Universidad de Ferrara (Italia) que ayudó a desarrollar un modelo local de radiactividad para Snolab.
El detector JUNO, de 20 kilotones, comenzó a operar en agosto de 2025. Además de detectar geoneutrinos, estudia las partículas que emanan de las centrales nucleares de Taishan y Yangjiang. Fuente: JUNO Collaboration
La incertidumbre también proviene de las estimaciones de la cantidad total de material radiactivo que calienta el manto. El flujo de geoneutrinos sugiere que estos elementos podrían contribuir desde un pequeño porcentaje del calor del manto hasta la mitad de este, una discrepancia equivalente a la producción de decenas de miles de centrales nucleares.
Ambas fuentes de incertidumbre dificultan aún más detectar cualquier diferencia en la composición química de secciones concretas del manto. La diferencia en el flujo de geoneutrinos esperado a partir de distintas distribuciones de elementos radiactivos «es muy pequeña y queda oculta en estas incertidumbres», afirma Strati.
Flujos futuros
La detección en SNO+ llega en un momento emocionante para la investigación de geoneutrinos: JUNO, otro enorme experimento de neutrinos que está recogiendo datos en China, se espera que comunique su primer flujo de geoneutrinos a finales de este año, añadiendo una cuarta perspectiva, notablemente más rica. Con más de 20.000 toneladas de centelleador, el experimento, enterrado bajo una montaña a las afueras de la ciudad de Guangzhou, es tan grande que se espera que detecte más geoneutrinos en su primer año que la producción combinada de KamLAND, Borexino y SNO+ a lo largo de décadas.
Estimaciones más claras del flujo de geoneutrinos en cada experimento podrían provenir de datos geológicos más detallados, así como de nuevos recuentos de geoneutrinos en cada emplazamiento. Sin embargo, McDonough afirma que lo mejor sería construir un detector de neutrinos en el fondo del océano. Es una idea que McDonough ha defendido durante décadas.
Tal detector estaría lejos de las rocas continentales, ricas en elementos radiactivos; la corteza oceánica es también más delgada y uniforme. Las incertidumbres relacionadas con la corteza disminuyen tanto que «se está en territorio solo de manto», dice.
La idea de un detector en el fondo oceánico, cuyo coste se estima en cientos de millones de dólares, ha tenido poca acogida hasta la fecha por parte de los financiadores gubernamentales. Pero McDonough espera poder lograr algo en China, que ha dado luz verde a otros grandes proyectos de geociencias. «Es muy posible», afirma. Hasta entonces, los físicos seguirán remando en busca de respuestas en las profundidades subterráneas.
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