3 de diciembre de 2010

ANDES:el laboratorio subterráneo ANDESy el Consorcio Latinoamericanode Experimentos Subterráneos (CLES)

Un laboratorio subterráneo en el túnel Agua Negra

Resumen ejecutivoLa física de altas energías es un área que ha tenido un desarrollo muy fuerte

desde el siglo pasado, a partir del descubrimiento de los rayos cósmicos y la ela-boración de un marco teórico, el Modelo Estándar de las partículas elementales,muy exitoso tanto de manera cualitativa como cuantitativa. La mayoría de los úl-timos avances se concretaron en aceleradores de gran tamaño como los del CERNy del Fermilab. Si bien ahora hay mucha expectativa por el último acelerador delCERN, el LHC, recientemente cobró auge una nueva rama de la ciencia, la físicade las astropartículas, con proyectos internacionales de gran envergadura como elObservatorio Pierre Auger, instalado en la Argentina.

El impacto de la construcción y operación del Observatorio Pierre Auger enla Argentina es muy fuerte, tanto del punto de vista instrumental, académico, co-mo institucional. A raíz de este éxito, próximos experimentos como el CherenkovTelescope Array manifiestan interés en instalarse en la región.

Una parte cada vez mas importante de la frontera entre la física nuclear, la físicade partículas elementales, astropartículas y cosmología, reside en el estudio de losneutrinos y la búsqueda de la materia oscura. Estos estudios solo son posibles enlaboratorios subterráneos, donde los experimentos quedan protegidos de la radia-ción cósmica bajo más de 1000 m de roca. Tales laboratorios se ubican en túnelesprofundos o en minas, y los diez laboratorios que están en funcionamiento al día dehoy se encuentran en el hemisferio norte: Europa, Estados Unidos, Rusia, Canadáy Japón. Cabe destacar que la dimensión de los problemas de actualidad requieren

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del esfuerzo mancomunado de las comunidades científicas y de los gobiernos de susrespectivos países, donde la Comunidad Europea es ejemplar, con su red de progra-mas de investigación, laboratorios conjuntos y sistemas integrados de educación,formación superior e investigación, concretando transferencia de conocimiento yde tecnología a sus instituciones y a la sociedad.

Los países de nuestra región pueden seguir este ejemplo y asumir, ellos mismos,un rol protagónico en el tema aprovechando la construcción del túnel Agua Negra -actualmente en fase final de prospección en la provincia de San Juan - para planificarla construcción y operación de un laboratorio subterráneo en su seno. El túnel AguaNegra, parte del corredor bioceánico central, es una obra de gran importancia para laregión y el MERCOSUR. Apunta a una mayor y más fuerte integración regional, enparticular entre la Argentina, Chile y Brasil. Proponemos que el laboratorio subte-rráneo también se manifieste como un esfuerzo regional, con fuerte participación deestos tres países. Se espera contar también con participación de otros países latinoa-mericanos, como México por ejemplo, que tiene una fuerte comunidad interesadaen el tema, y, más generalmente, de toda la comunidad internacional.

Los experimentos científicos que albergará el túnel nos permitirán explorar fe-nómenos hasta ahora desconocidos - relacionados a neutrinos y materia oscura - conconsecuencias fundamentales sobre el conocimiento del Universo y de su evolucióny orígenes. Se aprovechará la protección brindada por la roca para operar medidoresde radiación de bajo fondo, con varias áreas de aplicación. En esa ubicación únicase podrán instalar experimentos interdisciplinarios originales, como estudios geo-físicos y geomecánicos, estudiando propagación de ondas sísmicas en profundidady sobre escalas de tiempo largos, o biológicos, estudiando la biosfera del subsueloy la influencia de las mutaciones y daños estructurales provocados por la radiacióncósmica en la evolución de las células. En los anexos que acompañan al presentedocumento se detallan algunas de las propuestas.

Cabe destacar que la realización de estos experimentos no solo se traduce en laconsolidación de la comunidad de alta energías y demás ciencias involucradas, sinoque también va a la par de desarrollos tecnológicos de punta y formación de recur-sos humanos, científicos, técnicos y de ingeniería del más alto nivel. La creación deeste laboratorio tiene el potencial de fomentar la creación de empresas de alta tec-nología (como sucedió en la cercanía de laboratorios similares en Europa), ciclosde formación, escuelas de postgrado y tesis doctorales. Más allá de las escalas detiempo naturales de los experimentos que albergará el laboratorio (5-10 años), lacaracterística y la evolución de un laboratorio sobre 50 años abren perspectivas a laaltura del desafío que representa semejante Centro de investigación.

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Descripción de ANDESSe propone construir un laboratorio subterráneo dentro del túnel Agua Negra,

entre los km 3.5 y 5 de los 14 km del trazado, ubicándolo cerca del límite entreArgentina y Chile. Esa ubicación asegura un espesor de roca máxima de más de1500 m para una mejor protección de la radiación cósmica. El laboratorio consis-tiría en una caverna principal para albergar dos o tres experimentos mayores, unasecundaria sobre 3 o 4 pisos para múltiples experimentos, y una eventual terceracilíndrica tipo pozo (geometría preferida para experimentos de gran tamaño), contúneles de accesos, por un total de 2 500 m2 de superficie subterránea. Su construc-ción se deberá hacer a la par de los trabajos de construcción del túnel y su planifi-cación se hará integrada a la del túnel para minimizar costos tanto de construccióncomo de operación, ya que una integración a nivel acceso, ventilación y seguridades esencial para este tipo de proyectos. El costo de las excavaciones y terminacionesdependerá del diseño final del laboratorio y de la condición de la roca en el lugarelegido para su emplazamiento, pero se ubicará debajo de los 10 millones de dó-lares, aprovechando toda la infraestructura que ofrece la obra propia del túnel (lacual tiene un costo total del orden de 850 millones de dólares). De no poder contarcon financiamiento de los tres países socios considerados para el CLES, Argentina,Chile y Brasil, se apuntará a espacios menores, con la correspondiente reducción decostos.

El laboratorio subterráneo necesita de instalaciones externas de apoyo, en elcual se hace parte del trabajo de preparación de los experimentos y se encuentra elpersonal operativo del centro. Para asegurar el carácter multinacional del centro, seproponen dos sitios de apoyo, uno en Argentina y uno en Chile. Estos laboratorioscontarán con personal permanente (científico, técnico y administrativo) para ase-gurar la operación adecuada de los experimentos instalados dentro del laboratoriosubterráneo. Un total de 10 a 15 personas entre los dos sitios debería permitir alcan-zar las metas de funcionamiento. Se espera que a lo largo de los años se desarrollenesos laboratorios mientras se va acumulando experiencia, formando profesionales,y se transfieren los conocimientos tecnológicos de los grupos expertos internacio-nales - quienes desarrollarían parte de los experimentos ubicados en el túnel - a losgrupos locales.

Parte de los tiempos de este proyecto estan dictados por los de construcción deltúnel Agua Negra. La licitación se espera para fines de 2010, y la construcción seiniciaría en el 2011, con una finalización de las excavaciones para 2016. Convienepor lo tanto definir rápidamente los parámetros del laboratorio subterráneo para po-der aprovechar esta ventana de oportunidad. Una vez terminada la obra, resultaríaprohibitivo efectuar excavaciones dentro del túnel. Desearíamos por lo tanto llamara la comunidad científica Latinoamericana e Internacional, trabajando en experi-mentos subterráneos tanto en física de altas energías como en otros temas (geología,biología, informática...), para definir a principios del año que viene (Abril 2011, enla ciudad de Buenos Aires, tentativo) los parámetros principales de la construcciónsubterránea, y poder encarar un proyecto de factibilidad con estimación de costosantes de fines de 2011.

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Anexo I: Propuesta para el laboratorio subterráneoMuchos factores intervendrán para definir el diseño final del laboratorio. Obvia-

mente, el diseño del laboratorio depende de las propuestas de la comunidad científi-ca que lo usará, y no se puede definir antes de la próxima reunión prevista para Abrilde 2011. Además, los aspectos de seguridad, acceso y ventilación, serán sin dudasesenciales al momento de estudiar la factibilidad de cualquier diseño. Sin embargo,se puede ya en la etapa previa estimar alguna configuración de interés.

El parámetro esencial para la física es el espesor de roca. Para maximizar eseespesor, una ubicación entre los kilómetros 3.5 y 5 del túnel parece ser ideal (verfigura 1). Uno podría considerar construir el laboratorio entre los dos túneles parafacilitar aspectos de acceso y seguridad, pero esa ubicación limita el espacio dis-ponible. Ubicarlo al sur de los túneles maximiza el espesor de roca, siendo por lotanto la ubicación preferida. Una conexión con el túnel extra de ventilación podríapresentar interés y debería ser considerada.

Figura 1: Corte longitudinal del túnel.

Un laboratorio de tamaño adaptado a los experimentos planteados en este docu-mento podría ser constituido por 3 cavernas:

una de dimensiones típicas de 20 m de ancho por 25 m de alto, por unos 50 mde longitud, similar a las cavernas de ventilación de la obra principal del túnelotra de dimensión similares o algo menor, separada en 3 o 4 pisosuna tercera de forma cilíndrica tipo pozo, de entre 15 y 20 m de diámetro, ycon unos 20 m de profundidad

con un túnel de acceso vehicular, un túnel de circunvalación peatonal y túnelesde interconexión. El túnel de circunvalación, además de facilitar el acceso a las 3cavernas, sería recto para permitir la ubicación de eventuales experimentos necesi-tando una instalación lineal (acelerador, interferómetro...). Un dibujo conceptual seencuentra en la figura 2.

El diseño elegido se basa en cavernas ya estudiadas por Geoconsult BuenosAires SA, sociedad diseñando el túnel (ver figura 3). El costo aproximativo de cadacaverna sería de 2.5 millones de dólares (con terminaciones), por un costo total dellaboratorio presentado de 10 millones de dólares, incluyendo un 20 % de margen.

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2020

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Argentina

Chile

Figura 2: Dibujo conceptual de una configuración posible del laboratorio.

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Figura 3: Caverna 2, de diseño similar a las de ventilación del túnel, adaptada parael laboratorio. Cortesía de Geoconsult Buenos Aires SA.

Un estudio de factibilidad es necesario para llegar al diseño final y podría serefectuado por Geoconsult Buenos Aires SA. Su costo sería típicamente del 1 % delcosto final del laboratorio (100 000 dólares). Incluiría la ingeniería de detalle dela obra civil y trataría los temas esenciales de seguridad, ventilación y consumoeléctrico. Este estudio se debería terminar antes de la licitación de detalle de la obradel túnel para poder incluir la obra del laboratorio en la del túnel. A fines de 2010 se

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hará la primera licitación para el túnel, la cual no incluye el detalle final de la obray sirve a determinar las empresas capaces de participar del llamado a licitación dedetalle. Este segundo llamado, que se hará antes de fines de 2011, debería incluir allaboratorio para así reducir los costos de obra civil.

La construcción del laboratorio se iniciaría cuando la excavación del túnel llegueal km 5, probablemente en el 2013. Mientras se construye el laboratorio subterráneose podrán empezar mediciones de niveles de radiación y flujo de muones.

Se tendrán que acompañar esas obras por las de los laboratorios de apoyo, ideal-mente uno en la provincia de San Juan (en una localidad cercana al túnel como SanJosé de Jáchal o Rodeo) y uno en la provincia de Elqui (podría ser en Vicuña o unalocalidad camino al portal). Dado que el laboratorio subterráneo no se podrá usarantes de la finalización de las obras del túnel, en el 2017, la construcción de loslaboratorios de apoyo no presenta la misma urgencia que la definición del subterrá-neo. El laboratorio de apoyo argentino podría ser un instituto a cargo de la UNSJy el CONICET, mientras el chileno sería a cargo del CONICYT en conjunto conuniversidades.

A futuro, los gastos que enfrentar para el funcionamiento del laboratorio subte-rráneo dependerán probablemente de los experimentos albergados. Al incluir el la-boratorio en las obras del túnel se disminuyen dramáticamente gastos relacionadosa la vigilancia y a la seguridad, factores esenciales en un laboratorio subterráneo,donde cualquier incidente puede tornarse fatal. En laboratorios similares, integradosa nivel seguridad con la del túnel que les alberga, la mayor parte de los gastos deoperación tiene que ver con el consumo eléctrico, tanto de los experimentos comolo necesario para la ventilación del laboratorio (para mantener el aire con bajo con-tenido de gas radón) y su climatización. Para ANDES se deberá esperar el diseñocompleto del laboratorio para estimar con precisión las necesidades de ventilacióny climatización. Como estimación muy preliminar, comparando con el laboratorioModane situado en un túnel de características similares, uno puede estimar un con-sumo total, experimentos incluidos, de entre 500 kW y 1 MW. Estos gastos deberíanser compartidos entre los varios países del CLES.

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Anexo II: Potenciales experimentos en el laboratorioSi bien una primera lista concreta de proyectos que podría hospedar el laborato-

rio se definirá durante la próxima reunión sobre el CLES en el 2011, como resultadode una abierta convocatoria y de un amplia discusión, se pueden determinar unastemáticas que el laboratorio no podrá dejar de contemplar.

NeutrinosPauli[1] postuló la existencia de una nueva partícula en 1930 para explicar la

aparente energía pérdida en el decaimiento beta. Desde ese momento, fueron nume-rosos los intentos por medir estas elusivas partículas que forman parte del modeloestándar[2]. Está establecido que los neutrinos son de tres tipos (sabores) diferentes:νe, o neutrino del electrón, es aquel involucrado en interacciones débiles de corrien-tes cargadas en dónde participa un electrón, νµ asociado a los µ, y ντ . En el modeloestándar, los neutrinos no tienen masa.

La observación de neutrinos atmosféricos[5], solares[3, 4] y aquellos produci-dos en reactores[6] y aceleradores[7, 8] no es sencilla en virtud de la escasa interac-ción que los neutrinos presentan con la materia. Sin embargo, ha sido posible com-probar la existencia de oscilaciones de neutrinos[9, 10], es decir, transiciones entrelos distintos sabores de neutrinos. Esto sólo puede ser explicado si los neutrinostuvieran masa. A su vez, puesto que el modelo estándar no contempla mecanismospara asignar masas a los neutrinos, esta es una indicación de la existencia de nuevafísica más allá del modelo estándar.

El estudio detallado de la naturaleza de los neutrinos y de sus oscilaciones ocupagran parte de la comunidad de física de altas energías, ya que entender los ángulosde mezcla y medir por primera vez la masa de los neutrinos tiene implicacionesenormes tanto en física de partículas como en cosmología. ANDES tendrá sin du-das un experimento participando de esa campaña de mediciones. En particular, sepodrá estudiar la naturaleza intrínseca de los neutrinos mediante la instalación deun experimento para la medición del decaimiento beta doble sin neutrinos que po-dría producirse en ciertos núcleos. Esta reacción muestra una violación al númeroleptónico, e implica que el neutrino sería una partícula de Majorana, es decir ν = ν,con fuertes implicaciones en cosmología.

Además de participar del esfuerzo de la comunidad en la búsqueda de la natu-raleza y de las características de los neutrinos, la ubicación de ANDES como únicolaboratorio en el hemisferio sur le abren algunas posibilidades de estudios novedo-sos. Varios experimentos al día de hoy aprovechan un acelerador para producir unhaz de neutrinos y los intentan detectar a varios cientos de kilómetros en un labo-ratorio subterráneo alejado. La distancia importante de ANDES a los principalesaceleradores del mundo puede convertirse en una fuerza. Por ejemplo, aparece porefectos de materia sobre las oscilaciones neutrinos (efecto MSW) una distancia lla-mada distancia mágica a la cual el efecto de muchos parámetros se atenúan y soloquedan parámetros imposibles de medir con precisión en otro contexto[11]. Esa dis-tancia es del orden de 7500 km. ANDES se encuentra a 7650 km de Fermilab, enChicago, uno de los tres mayores aceleradores del mundo, permitiendo por lo tanto

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tal experimento. También, a ser ubicado a 12500 km de KEK, en Japón, sería el úni-co laboratorio al cual uno podría apuntar un haz de neutrino atravesando el núcleode la tierra, y por lo tanto medir efectos de materia (efecto MSW) con flujo de neu-trino de alta energía en medio denso, abriendo una nueva ventana de observacióndel efecto.

Finalmente, ANDES podrá participar de un nuevo grupo de experimentos apun-tando a la medición de los geoneutrinos, neutrinos producidos en la Tierra por de-caimientos de elementos radiactivos que componen el planeta mismo. Esos geo-neutrinos aparecen esenciales para entender el equilibrio térmico de la Tierra. Esosexperimentos son difíciles de operar en Europa, Japón o Estados Unidos ya que losneutrinos producidos por centrales nucleares son un ruido importante a la medición.La distancia de ANDES a las únicas centrales de la región hacen del túnel Agua Ne-gra un lugar privilegiado para medir geoneutrinos[11, 12]. Además, de poder me-jorar la sensibilidad de los experimentos actuales, uno podría hacer una tomografíade la Tierra con los geoneutrinos, al comparar las mediciones de ANDES a las deotros detectores en el hemisferio norte.

Materia OscuraLa expansión del universo, propuesta y observada por Lemaître y Hubble a prin-

cipios del siglo pasado [13, 14], llevo a plantear el modelo cosmológico actual delbig-bang, asentado en la década del ’40, por la explicación de las abundancias ob-servadas de los elementos ligeros, a partir de su nucleosíntesis primordial en unUniverso primitivo más denso y caliente que el actual[15]. La observación de laradiación de fondo de microondas, remanente del big-bang a una temperatura de al-gunos K por Penzias y Wilson[16], terminó de establecer el big-bang como modelocosmológico de referencia.

Sin embargo, la sorprendente evidencia sobre la aceleración en la expansión delUniverso [17] a partir del estudio de las curvas de luz de las supernovas tipo I-A,el análisis de las curvas de rotación de las galaxias[18], las observaciones en len-tes gravitacionales[19, 20] el análisis de las fluctuaciones del fondo de microondas[21] indican que el contenido de materia y energía del universo es mayor al que seestimaba en forma observacional, al ser compatible con un universo de densidadcrítica (ΩT = ρ/ρc = 1,006± 0,006[21]), mientras observacionalmente sólo puedejustificarse un 4.4 % de esa cantidad de materia y energía, siendo el resto (95.6 %)consideradas como materia (21 %) y energía (74 %) oscuras[21].

La composición de la materia oscura es totalmente desconocida, y se conside-ra que la materia bariónica (p. ej, neutrinos, MACHOs, objetos compactos, enanasmarrones) sólo representa una pequeña proporción de la cantidad total de materiaoscura[22, 23]. En la actualidad, los candidatos más firmes para la composición dela materia oscura son los axiones[24], neutrinos estériles masivos[25], y los WIMPs(weakly interacting massive particles)[26], incluyendo las LSPs (lightest supersym-metric particles[27]) cuyo candidato natural son los neutralinos[28].

Los experimentos de detección directa de materia oscura son complejos debidoa la extremadamente baja tasa de interacción (los limites de detección actuales res-tringen la tasa de interacción a menos de un evento diario por cada 100 kg de masa

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de detección [29]), y las bajas energías depositadas por las eventuales interacciones.Eso implica manejar grandes masas de detección, umbrales muy bajos, un excelentey preciso control del ruido de fondo del detector, y un ruido de fondo cósmico muypor debajo del evento diario, solo posible en laboratorios muy profundos.

Determinar la naturaleza de la materia oscura es uno de los problemas más im-portantes en la cosmología moderna y la física de altas energías, y por lo tanto,fomentar la instalación de por lo menos dos experimentos de detección de materiaoscura será una de las principales metas iniciales del laboratorio.

En la actualidad, el experimento DAMA[30], basado en detectores de centelleoy ubicado en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en Italia, es el mayor detec-tor en términos de exposición integrada (820 kg por año desde el 2003). La colabo-ración DAMA ha reportado una detección de materia oscura[31] que ha dado lugara fuertes controversias en el medio académico. Varios experimentos que utilizantécnicas distintas a DAMA han refutado dicha detección (Xenon, CDMS, Cresst,Edelweiss). Esta controversia puede ser zanjada solamente con un experimento in-dependiente que utilice la misma técnica que DAMA, detectando una modulaciónanual del número de eventos atribuida al movimiento de la Tierra dentro de un halofijo de materia oscura, pero ubicado en el hemisferio sur, donde se espera la mismaseñal si es de origen genuina, y una señal opuesta si es de origen atmosférica. Al serel único laboratorio subterráneo en el hemisferio sur, ANDES deberá contar con unexperimento del tipo de DAMA.

Otras técnicas de detección se basan en la utilización de gases nobles en estadolíquido (logrando una excelente tasa de rechazo para el ruido de fondo) o detecto-res operados a ultra baja temperatura (con lo cual la interacción produce un calordetectable), donde uno busca directamente identificar interacciones como sólo ex-plicables por una partícula de materia oscura. Esos detectores son usualmente detamaño modesto, y un experimento usando uno de esos modos de detección deberíaser operado en ANDES.

Tectónica de placasLa instalación de un sismógrafo triaxial de banda ancha de alto rendimiento (ej.,

High- Performance Very-Broad-Band Triaxial Seismometer Streckeisen STS2.5 sen-sor y registrador digital Q330HR) sería de gran beneficio para estudios sismotec-tónicos. El bajo ruido ambiental y uniformidad de temperatura en el lugar proveencondiciones ideales para el funcionamiento del mismo, produciendo registros fide-dignos desde las altas frecuencias (cercanas a 1 Hz), útiles para localización de lasismicidad local, hasta los períodos ultra-largos (mayores a 100 segundos) útilespara estudiar los modos normales de vibración del planeta excitados por un gransismo (Magnitud>8), y obviamente todos los períodos intermedios que involucransismos regionales y distantes. La ubicación del sismómetro, prácticamente sobre eleje de la cordillera de los Andes, está en una región dominada tectónicamente por elproceso geodinámico relacionado a la subducción de la placa de Nazca por debajode la Sudamericana, en el segmento en donde no existe vulcanismo cuaternario de-bido a la horizontalización de la placa subductada durante por lo menos los últimos10 millones de años. Las razones de ésta hotizontalización no están todavía escla-

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recidas, aunque hay evidencias que muestran que tiene relación con la subduccióndel Ridge de Juan Fernández. El último gran sismo en la región fue el de Ovalle, el3 de Abril de 1943, M=8.2. La actividad de sismos menores, aunque aún así des-tructivos, es grande. La región resulta así un laboratorio natural y privilegiado paraestudiar condiciones particulares de la subducción, el consecuente levantamiento delas montañas y el riesgo sísmico. La instalación de un sismógrafo de banda anchapróxima al límite entre Argentina y Chile permite realizar un nexo entre las redessismológicas de ambas naciones ya que éstas se encuentran en general fuera deledificio de los Andes.

BiologíaLas lesiones en el ADN pueden ser producto del metabolismo celular así como

de agentes externos, como la radiación ionizante. Las principales lesiones son lasrupturas de la doble cadena de ADN, las cuales revisten importancia no sólo enlos procesos fisiológicos sino como generadoras de mutaciones que pueden llevara múltiples patologías. En general se estudian los procesos de daño y reparacióndel ADN aplicando algún agente generador del daño. Sin embargo, las células noexpuestas a estos agentes también muestran daño al ADN, que siempre es atribuidoal metabolismo celular. Un laboratorio de radiación cero permitiría estudiar funda-mentalmente la participación de la radiación cósmica a nivel del daño y reparacióndel ADN y que relevancia tendría en la generación de patologías como el cáncer.

Por otro lado, dado que las radiaciones ionizantes son generadoras de radicaleslibres, un laboratorio de estas características permitiría estudiar la influencia de laradiación cósmica en la modulación de los sistemas antioxidantes celulares. Otrosde los campos de estudio estaría relacionado con el envejecimiento celular, dadoque este tiene directa relación con la generación de radicales libres. De este modo,se podría evaluar si la radiación cósmica tiene alguna relevancia en los procesos deenvejecimiento celular. La posibilidad de tener un ambiente no expuesto a la radia-ción cósmica permitiría evaluar la importancia de la misma en numerosos procesosbiológicos.

Astrofísica NuclearLa Astrofísica Nuclear estudia los procesos nucleares que ocurren en las estre-

llas, tanto durante su vida en estado cuasiestacionario (combustión de hidrógenoen estrellas de la secuencia principal) como en la explosión supernova en que ter-minan las estrellas muy masivas. Estas reacciones nucleares permiten explicar laproducción de energía y la formación y abundancia de los elementos químicos ysus isótopos. Si bien esta rama científica está generalmente circunscrita dentro dela ciencia básica de investigación, el conocimiento adquirido tendrá relevancia enel marco del desarrollo de la próxima generación de reactores nucleares: los reac-tores de fusión nuclear. Estos reactores se basan en la fusión de elementos livianos(típicamente deuterio y tritio para formar helio) emulando los procesos estelares.

En estos procesos estelares los núcleos colisionan entre sí con velocidades deorigen térmico. Si bien los interiores estelares tienen temperaturas muy elevadas

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(entre 10 y 2000 millones de grados), las correspondientes energías cinéticas mediasde las núcleos interactuantes son mucho más bajas que su repulsión electrostática(barrera coulombiana). En estas condiciones la fusión nuclear, prohibida según lamecánica clásica, ocurre gracias al efecto túnel cuántico pero con probabilidadesen extremo bajas. De este modo, las estrellas tienen tasas de reacciones nuclearesreguladas de modo de tener una producción de energía controlada y poder subsistirpor varios miles de millones de años (1010 años en el caso del Sol).

Por lo tanto, a diferencia de la física nuclear tradicional que estudia reaccionesde alta probabilidad (sección eficaz) a energías próximas a la correspondiente ba-rrera coulombiana, en astrofísica nuclear es de interés medir procesos que ocurren aenergías muy inferiores a la barrera y que por lo tanto son en extremo improbables.Esto representa un gran desafío desde el punto de vista experimental.

Para lograr estudiar procesos de tan baja probabilidad deben utilizarse hacesintensos de proyectiles (1016 partículas por segundo) durante períodos de variassemanas para poder producir algunos pocos eventos de reacción. Estas reaccionesproducen núcleos que son identificados por la emisión de fotones gamma de desex-citación. Pero estos pocos fotones gamma no podrán ser distinguidos en un fondocontinuo producido por las partículas provenientes de la radiación natural (rayoscósmicos o emisiones de radón). Por este motivo, las mediciones directas de sec-ción eficaz de reacciones nucleares de actual interés en astrofísica sólo pueden serlogradas en laboratorios de bajo fondo como el LUNA (Laboratory for UndergroundNuclear Astrophysics [32]) ubicado en el túnel de Gran Sasso, Italia o en el labora-torio aquí propuesto.

Medidas de baja radiactividad: clima, medio ambiente y aplica-ciones industriales

La necesidad de contar con materiales con muy baja radiactividad para la cons-trucción de experimentos de materia oscura o física de neutrinos dio origen al desa-rrollo de detectores capaces de medir niveles de radiación extremadamente bajos.Estos instrumentos muy sensibles deben estar situados en laboratorios subterráneospara reducir al mínimo las radiaciones parásitas generadas por los rayos cósmicos. Amodo de ejemplo, se puede mencionar que los detectores de Germanio son capacesde medir niveles de radiactividad un millón de veces más bajos que la radiactividadnatural del cuerpo humano.

Los detectores más comúnmente usados son espectrómetros de rayos gammaque usan cristales de Germanio. Relativamente accesibles desde el punto de vistaeconómico, estos detectores encontraron aplicaciones muy diversas, que van desdeel control de la radiactividad en el medio ambiente, pasando por estudios geológi-cos [33] como glaciología, a la selección de materiales usados en los circuitos demicro-electrónica.

En glaciología, el estudio de las capas de hielo en la Antártida, Ártico, Andeso en los Alpes permite “cartografiar” la variación espacio-temporal de parámetrosclimáticos y ambientales (contaminación) en los últimos siglos [34]. La medida dela actividad de los radioelementos 137Cs y 241Am es el único método que permite

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una datación absoluta de las capas presentes en las muestras de hielo. Estas medidasdeben realizarse con espectrómetros gamma situados en sitios subterráneos.

Otro área de interés de un laboratorio subterráneo es la micro-electrónica. Loscircuitos de micro-electrónica se miniaturizan cada vez mas, alcanzando dimensio-nes de 25 nm, lo que aumenta su capacidad pero a la vez los hace vulnerables alas radiaciones ionizantes, que producen errores lógicos (“bugs”). Los errores seproducen debido a la interacción de los neutrones de los rayos cósmicos y a la inter-acción con las partículas alfa de la radiactividad natural (presente inevitablementeen los materiales de fabricación). Los laboratorios subterráneos permiten suprimirla componente de rayos cósmicos con el fin de estudiar por separado el efecto de laradiactividad natural de los componentes [35]. Además, las industrias se muestranmuy interesadas en métodos que permiten medir niveles de radiactividad extrema-damente baja, lo que permite la selección de materiales más puros desde el puntode vista radiactivo.

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