Los neutrinos son una de las partículas fundamentales que forman el Universo. En comparación con otros tipos de partículas, tienen muy poca masa, sin carga, y solo interactúan con otros a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad. Como tal, encontrar evidencia de las interacciones de los herederos es extremadamente difícil, ya que requiere instrumentos masivos ubicados bajo tierra para protegerlos de cualquier interferencia.
Sin embargo, utilizando la Fuente de neutrones de la espalación (SNS), una instalación de investigación ubicada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), un equipo internacional de investigadores recientemente hizo un descubrimiento histórico sobre los neutrinos utilizando un método completamente diferente. Como parte del experimento COHERENT, estos resultados confirman una predicción hecha hace 43 años y ofrecen nuevas posibilidades para la investigación de neutrinos.
Recientemente se publicó en la revista el estudio que detalla sus hallazgos, titulado "Observación de dispersión coherente de neutrino-núcleo elástico". Ciencias. La investigación se realizó como parte del experimento COHERENT, una colaboración de 80 investigadores de 19 instituciones de más 4 naciones que ha estado buscando lo que se conoce como dispersión de núcleo de neutrino elástico coherente (CEvNS) durante más de un año.
Al encontrar evidencia de este comportamiento, COHERENT esencialmente ha hecho historia. Como dijo Jason Newby, físico de ORNL y coordinador técnico de COHERENT, en un comunicado de prensa de ORNL:
"El experimento de física de partículas único en su tipo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge fue el primero en medir la dispersión coherente de neutrinos de baja energía fuera de los núcleos".
Para desglosarlo todo, el Modelo Estándar de física de partículas indica que los neutrinos son leptones, una partícula que interactúa con otra materia muy débilmente. Se crean a través de la desintegración radiactiva, las reacciones nucleares que alimentan las estrellas y de las supernovas. El modelo de cosmología del Big Bang también predice que los neutrinos son las partículas más abundantes que existen, ya que son un subproducto de la creación del Universo.
Como tal, su estudio ha sido un punto focal importante para físicos teóricos y cosmólogos. En estudios anteriores, las interacciones de neutrinos se detectaron usando literalmente toneladas de material objetivo y luego examinando las transformaciones de partículas que resultaron de los neutrinos que las golpearon.
Los ejemplos incluyen el Observatorio Super-Kamiokande en Japón, una instalación subterránea donde el material objetivo es 50,000 toneladas de agua ultrapura. En el caso del Observatorio de Neutrinos Sudbury de SNOLAB, que se encuentra en un antiguo complejo minero cerca de Sudbury, Ontario, el detector de neutrinos SNO se basa en agua pesada para la detección de neutrinos, mientras que el experimento SNO + utilizará un centelleador líquido.
Y el Observatorio de Neutrinos IceCube, el detector de neutrinos más grande del mundo, ubicado en la Estación Amundsen-Scott South Pole en la Antártida, se basa en el hielo antártico para detectar interacciones de neutrinos. En todos los casos, las instalaciones están extremadamente aisladas y dependen de un equipo muy costoso.
El experimento COHERENT, sin embargo, es inmensamente más pequeño y más económico en comparación, pesa solo 14.5 kg (32 lbs) y ocupa mucho menos espacio. El experimento fue creado para aprovechar el sistema basado en el acelerador SNS existente, que produce los haces de neutrones pulsados más intensos del mundo para aplastar los átomos de mercurio con haces de protones.
Este proceso crea cantidades masivas de neutrones que se utilizan para varios experimentos científicos. Sin embargo, el proceso también crea una cantidad significativa de neutrinos como subproducto. Para aprovechar esto, el equipo COHERENT comenzó a desarrollar un experimento de neutrinos conocido como "callejón de neutrinos". Ubicadas en un pasillo del sótano a solo 20 metros (45 pies) del tanque de mercurio, los gruesos muros de concreto y la grava brindan protección natural.
El corredor también está equipado con grandes tanques de agua para bloquear neutrinos adicionales, rayos cósmicos y otras partículas. Pero a diferencia de otros experimentos, los detectores COHERENTES buscan signos de neutrinos que chocan con los núcleos de otros átomos. Para hacer esto, el equipo equipó el corredor con detectores que dependen de un cristal centelleador de yoduro de cesio, que también utiliza odio para aumentar la prominencia de las señales de luz causadas por las interacciones de neutrinos.
Juan Collar, físico de la Universidad de Chicago, dirigió el equipo de diseño que creó el detector utilizado en SNS. Como explicó, este fue un enfoque de "regreso a lo básico" que eliminó los detectores más caros y masivos:
“Son posiblemente el tipo de detector de radiación más peatonal disponible, habiendo existido durante un siglo. El yoduro de cesio dopado con sodio combina todas las propiedades necesarias para funcionar como un pequeño detector de neutrinos coherente "portátil". Muy a menudo, menos es más ".
Gracias a su experimento y la sofisticación del SNS, los investigadores pudieron determinar que los neutrinos son capaces de acoplarse a los quarks mediante el intercambio de bosones Z neutros. Este proceso, que se conoce como dispersión elástica coherente de neutrinos y núcleos (CEvNS), se predijo por primera vez en 1973. Pero hasta ahora, ningún experimento o equipo de investigación ha podido confirmarlo.
Como indicó Jason Newby, el experimento tuvo éxito en gran parte gracias a la sofisticación de las instalaciones existentes. "La energía de los neutrinos SNS está casi perfectamente sintonizada para este experimento: lo suficientemente grande como para crear una señal detectable, pero lo suficientemente pequeña como para aprovechar la condición de coherencia", dijo. "La única pistola humeante de la interacción es una pequeña cantidad de energía impartida a un solo núcleo".
Los datos que produjo también fueron más limpios que con los experimentos anteriores, ya que los neutrinos (como el haz de neutrones del SNS que los produjo) también fueron pulsados. Esto permitió la fácil separación de la señal de las señales de fondo, lo que ofreció una ventaja sobre las fuentes de neutrinos en estado estacionario, como las que producen los reactores nucleares.
El equipo también detectó tres "sabores" de neutrinos, que incluían neutrinos muónicos, antineutrinos muónicos y neutrinos electrónicos. Mientras que los neutrinos muónicos surgieron instantáneamente, los otros fueron detectados unos microsegundos más tarde. A partir de esto, el equipo COHERENTE no solo validó la teoría de CEvNS, sino también el Modelo Estándar de física de partículas. Sus hallazgos también tienen implicaciones para la astrofísica y la cosmología.
Como Kate Scholberg, física de la Universidad de Duke y portavoz de COHERENT, explicó:
“Cuando una estrella masiva se derrumba y luego explota, los neutrinos arrojan una vasta energía en la envoltura estelar. Comprender el proceso alimenta la comprensión de cómo ocurren estos eventos dramáticos ... Los datos de COHERENT ayudarán con la interpretación de las mediciones de las propiedades de los neutrinos mediante experimentos en todo el mundo. También podemos utilizar la dispersión coherente para comprender mejor la estructura del núcleo ".
Si bien no hay necesidad de una confirmación adicional de sus resultados, los investigadores COHERENTES planean realizar mediciones adicionales para observar interacciones coherentes de neutrinos a tasas distintas (otra firma del proceso). A partir de esto, esperan ampliar su conocimiento de la naturaleza de CEvNS, así como de otras propiedades básicas de los neutrinos, como su magnetismo intrínseco.
Este descubrimiento fue ciertamente impresionante en sí mismo, dado que valida un aspecto tanto del modelo estándar de física de partículas como de la cosmología del Big Bang. Pero el hecho de que el método ofrezca resultados más limpios y se base en instrumentos que son significativamente más pequeños y menos costosos que otros experimentos, ¡eso es muy impresionante!
¡Las implicaciones de esta investigación seguramente serán de gran alcance, y será interesante ver qué otros descubrimientos permite en el futuro!
