Centellador
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Un centellador es una sustancia que se ilumina cuando una partícula cargada la atraviesa. Junto a la radiación de Cherenkov es el segundo gran principio de detección de la física de neutrinos — y el responsable de todo lo que resulta demasiado tenue para generar un cono de luz.
Cómo surge el resplandor
Una partícula cargada que lo atraviesa arranca electrones de sus enlaces y lleva moléculas a estados excitados. Esa excitación dura solo nanosegundos. Al decaer, la molécula cede la energía en forma de un destello de luz.
En los centelladores orgánicos eso ocurre en dos pasos. El disolvente absorbe la energía y la transmite a una sustancia luminiscente disuelta, que emite luz ultravioleta. Un segundo aditivo, el desplazador de longitud de onda, la convierte en luz azul — pues solo a ella son sensibles los fotomultiplicadores, y solo la luz azul atraviesa veinte metros de líquido sin ser absorbida.
Un centellador líquido moderno consta por eso de tres componentes: el disolvente, por lo general alquilbenceno lineal, más unos pocos gramos de PPO por litro y algunos miligramos de un desplazador.
La ventaja decisiva
La diferencia con la radiación de Cherenkov está en una cifra. Un centellador proporciona por megaelectronvoltio unos diez mil fotones; un detector de agua llega a algunos cientos.
De ese rendimiento luminoso cincuenta veces mayor se sigue todo lo demás. La energía puede determinarse con mucha mayor precisión y, sobre todo, el umbral de detección baja drásticamente: se hacen visibles sucesos de unos pocos cientos de kiloelectronvoltios.
Precisamente en ello se basó el éxito de Borexino, que contó por primera vez neutrinos solares de baja energía en tiempo real — algo que con agua no habría sido posible.
El precio: la luz se emite por igual en todas las direcciones. La dirección de la partícula se pierde. Un detector de agua como Super-Kamiokande puede decir de dónde venía un neutrino; un detector de centellador no puede.
La señal doble
La segunda gran ventaja es la resolución temporal. Un centellador responde en el intervalo de unos pocos nanosegundos, y eso permite una signatura que Clyde Cowan y Frederick Reines inventaron en 1956 y que hasta hoy sostiene toda medición en reactores.
En la desintegración beta inversa, un antineutrino alcanza un protón y genera un positrón y un neutrón. El positrón se aniquila de inmediato — primer destello. El neutrón vaga durante algunos microsegundos hasta ser capturado — segundo destello.
Dos destellos con el intervalo temporal correcto son prácticamente inconfundibles. Por eso KamLAND, Daya Bay y JUNO trabajan todos con centellador.
Centelladores sólidos
Junto a los líquidos existen variantes cristalinas y plásticas.
Los cristales como el yoduro de sodio o el yoduro de cesio, dopados en cada caso con talio, proporcionan todavía más luz y una mejor resolución en energía. Sin embargo, son caros, sensibles a la humedad y no pueden conseguirse en grandes cantidades.
Los centelladores plásticos pueden moldearse en cualquier forma y son baratos. Se disponen en capas entre placas de acero, por ejemplo en MINOS, donde importa menos la resolución en energía que la masa y la posición de la traza.
La pureza como límite
A energías bajas, la radiactividad natural del propio detector se convierte en el adversario. Cada gramo de material contiene trazas de uranio, torio y potasio — inocuas en la vida cotidiana, devastadoras aquí.
Borexino alcanzó por ello una pureza de aproximadamente un átomo de uranio por cada 10¹⁸ átomos del centellador y fue con ello el lugar más limpio del mundo. El desarrollo de esos procedimientos de purificación duró más que la construcción de la instalación — y es la razón por la que JUNO puede siquiera aspirar a la misma pureza en un volumen setenta veces mayor.
Análisis de la forma del pulso
Un último recurso ingenioso: la forma del destello de luz revela el tipo de partícula. Una partícula alfa genera un pulso cuya cola se prolonga algo más que la de un electrón, porque deposita la energía de forma más densa.
Con ello pueden separarse los sucesos de fondo procedentes de desintegraciones radiactivas de los sucesos de neutrinos auténticos — sin hardware adicional, únicamente a partir de la forma temporal de la señal.
Términos relacionados
- Radiación de Cherenkov — el otro principio de detección
- Borexino — la referencia en cuanto a pureza
- JUNO — la misma técnica a la mayor escala
- Experimento de Cowan y Reines — la señal doble
Fuentes
- Colaboración Borexino: The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Nuclear Instruments and Methods A 600, 568 (2009).
- Colaboración JUNO: JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).