Los físicos han detectado las llamativas partículas subatómicas llamadas neutrinos que silban fuera de los núcleos atómicos de una manera pronosticada hace más de 40 años, pero nunca antes observada.
Aún más notable, notaron el efecto de dispersión no con un detector gigante que pesaba miles de toneladas, pero con un dispositivo del tamaño de una jarra de leche. El avance podría abrir el camino a los detectores de neutrinos portátiles que podrían monitorear las instalaciones nucleares y, por ejemplo, olfatear neutrinos creados en la producción de plutonio.
“Es una emoción real que algo que predice hace 43 años se haya realizado experimentalmente”, dice Daniel Freedman, físico teórico emérito del Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, quien en 1974 presentó la teoría del efecto, llamada elástica coherente Neutrino-núcleo dispersión. La observación no cambia la comprensión de los físicos del núcleo o neutrinos, dice Natalie Roe, experimentalista en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, que no participó en el estudio. Sin embargo, dice, “es un tour de force para cavar esta pequeña señal”.
Los neutrinos vienen en tres tipos -electrón, muón y tau- e interactúan con núcleos atómicos de varias maneras. Por ejemplo, un neutrino de muón puede atacar a un neutrón en un núcleo, transformándolo en un protón, mientras que a su vez se convierte en un muón – un primo más pesado del electrón – en la llamada “dispersión cuasi elástica”. O un neutrino puede simplemente rebotar De un núcleo mientras que conserva su tipo en “dispersión elástica” llana. Todas estas interacciones son extremadamente raras, pero proporcionan el único medio para observar neutrinos. Para detectar sólo unos cuantos billones de neutrinos de electrones que pasan del sol a través de cada metro cuadrado de superficie terrestre cada segundo, los físicos despliegan detectores que pesan kilotones, aumentando el número de núcleos en ellos y las posibilidades de que los neutrinos golpeen uno. Como una regla.
Sin embargo, Freedman se dio cuenta de que debería haber una excepción a la regla. Como cualquier partícula cuántica, un neutrino actúa como una onda con una longitud de onda que se hace más corta a medida que aumenta la energía de la partícula. Si la energía del neutrino es alta, el neutrino interactuará con un solo protón o neutrón. Pero si un neutrino de baja energía tiene una longitud de onda que es tan larga como el núcleo es ancha, interactuará con todos los protones y neutrones en concierto. Gracias a esa “coherencia”, la probabilidad de que el neutrino rebote fuera del núcleo aumenta, aproximadamente, con el número de protones y neutrones al cuadrado, lo que conduce a un gran aumento en el número de interacciones.
Esto significa que debería haber una dispersión mucho más elástica a bajas energías, y por décadas el físico ha intentado detectarla en experimentos en reactores nucleares. Pero hay una trampa. La única señal es el retroceso del núcleo, y el neutrino de baja energía le da sólo una patada débil y difícil de detectar. “Es como golpear una pelota de bolos con una pelota de ping pong”, dice Kate Scholberg, un físico de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte. “Usted puede golpear la bola de bolos muy fácilmente, pero no va a rodar muy rápido.”
Sin embargo, Scholberg y los otros 80 miembros de la colaboración COHERENT han detectado ahora la dispersión coherente de neutrinos , según informan hoy en Science . Para ello, emplearon un detector sensible compuesto por cristales de yoduro de cesio dopado con sodio y que pesaban sólo 14,6 kilogramos. Cuando algo envía un núcleo retrocediendo en un cristal, incluso un poco, el cristal produce un pequeño, pero detectable destello de luz. Para generar los neutrinos, los físicos de COHERENT confiaron en la Fuente de Neutrones de Spallation (SNS) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee.
El SNS genera los haces de neutrones más intensos del mundo para la investigación de las ciencias materiales, pero también irradia copiosos neutrinos como un subproducto. Los neutrinos tienen una energía ligeramente superior a los de un reactor nuclear, por lo que el SNS sólo la fuente correcta para el experimento, dice Scholberg. La energía de los neutrinos es todavía lo suficientemente baja como para producir una dispersión coherente, pero lo suficientemente alta como para producir señales detectables en los cristales, dice ella. Utilizando más de 461 días de datos, los investigadores observaron 134 eventos de dispersión de neutrinos, en buen acuerdo con las predicciones de dispersión coherente.
El equipo de COHERENT ha golpeado a los demás. Esto incluye a un grupo liderado por Leo Stodolsky, físico y director emérito del Instituto Max Planck de Física de Munich, Alemania, que está desarrollando detectores criogénicos que pueden detectar retrocesos nucleares con energías mucho más bajas. Esperan detectar dispersión coherente en un reactor nuclear. “Mis colegas y yo hemos estado revisando este documento, con la esperanza de encontrar algo malo en él”, dice Stodolsky. Pero no hemos podido encontrar nada.
La nueva observación no volverá a escribir los libros de texto sobre física nuclear o de partículas. De hecho, habría sido mucho más revolucionario si los físicos hubieran demostrado de alguna manera que la dispersión coherente no existía, dice Freedman, ya que eso significaría que las reglas fundamentales de la mecánica cuántica estaban de alguna manera equivocadas.
La importancia real de la dispersión coherente puede estar en las aplicaciones potenciales de pequeños detectores de neutrinos portátiles, dice Stodolsky. Dichos detectores podrían utilizarse para vigilar los reactores nucleares por razones de seguridad. Por ejemplo, a partir de los detalles del flujo de neutrinos, los observadores podrían saber si un reactor está siendo usado para generar plutonio, dice.
Sin embargo, los detectores adelgazados no funcionarán en todos los grandes experimentos con neutrinos. Por ejemplo, hace dos semanas los físicos comenzaron la excavación para el Deep Neutrino Experiment (DUNE) , un detector de 70.000 toneladas en Dakota del Sur que estudiará neutrinos disparados desde un acelerador de partículas a 1300 kilómetros de distancia en Illinois. El DUNE estudiará cómo los tres tipos de neutrinos se transforman unos en otros a medida que las partículas se cierran a lo largo – un fenómeno llamado neutrino mezclado que podría ayudar a explicar cómo el universo generó tanta materia y tan poca antimateria. No hay esperanza de reemplazar el DUNE con un detector más pequeño basado en la dispersión coherente, porque la interacción no revela qué tipo de neutrino rebotó en un núcleo-información esencial para estudiar la mezcla de neutrinos.