COHERENT
COHERENT es la colaboración que en 2017 saldó una deuda de predicción de 43 años: detectó por primera vez la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo. El trabajo apareció el 15 de septiembre de 2017 en Science y figura entre los resultados más citados de la física de neutrinos.
El montaje experimental
La detección se logró en la fuente de neutrones por espalación del Oak Ridge National Laboratory, en Tennessee. Allí, un haz pulsado de protones incide sobre un blanco de mercurio; junto a neutrones surgen en ese proceso piones que se desintegran en muones y neutrinos. El resultado es una de las fuentes más intensas de neutrinos en el rango de unas pocas decenas de MeV — exactamente la ventana de energía en la que se produce la dispersión coherente.
El detector era notablemente pequeño: un cristal de centelleo de yoduro de cesio con adición de sodio, de 14,6 kilogramos de peso. A modo de comparación, otros experimentos de neutrinos necesitan miles de toneladas. Ahí está precisamente la gracia de la dispersión coherente — su sección eficaz es tanto mayor que basta un detector del tamaño de una sandía.
El haz pulsado fue el segundo truco. Como los neutrinos llegan en ventanas temporales nítidamente definidas, la señal se pudo separar del fondo sin más que mirar en el nanosegundo correcto.
El resultado
Tras quince meses de tiempo de medición, la detección se situaba en 6,7 σ — claramente por encima de los 5 σ que en física de partículas rigen como umbral de descubrimiento. El número de sucesos observados concordaba con la predicción del modelo estándar.
Con ello quedó confirmada también la firma característica del proceso: la sección eficaz crece con el cuadrado del número de neutrones del núcleo blanco. Eso no es un detalle, sino la huella dactilar de la coherencia — el núcleo reacciona como un todo, no como un conjunto de nucleones individuales.
En 2020 la colaboración insistió con argón y detectó el proceso en un segundo material nuclear. En 2022 siguieron las mediciones en yoduro de cesio con una estadística claramente mejorada.
Por qué tardó tanto
Daniel Z. Freedman predijo el proceso en 1974 y ya entonces escribió que su detección sería difícil — no porque la interacción fuera rara, sino porque deja muy poco tras de sí. El núcleo atómico golpeado se mueve solo unos pocos kiloelectronvoltios, un retroceso del orden de unos pocos nanómetros. Medir señales así requirió cuatro décadas de avances en técnica de detectores, refrigeración y supresión del fondo.
Que al final fuera un detector de 14,6 kilogramos el que zanjara el asunto pertenece a los bellos giros de esta historia.
Importancia
Para la física fundamental, COHERENT abrió una nueva ventana: la dispersión coherente es sensible a la física más allá del modelo estándar y sirve ya como herramienta para medir la carga débil del núcleo y posibles interacciones nuevas. Es además el fondo inevitable para los detectores que buscan materia oscura — la llamada niebla de neutrinos.
Para la neutrinovoltaica, COHERENT es el segundo de los tres anclajes. El Premio Nobel de 2015 mostró que los neutrinos tienen masa y con ella portan momento; COHERENT mostró en 2017 que ese momento pasa efectivamente a un núcleo atómico — y por el mayor canal que existe a bajas energías.
Términos relacionados
- Dispersión elástica coherente neutrino-núcleo — el proceso detectado
- Sección eficaz — por qué cuenta la dependencia N²
- Premio Nobel de Física 2015 — el primer anclaje
- Oscilación de neutrinos — el descubrimiento que hay detrás
- La ecuación maestra — donde entra esta sección eficaz
Fuentes
- D. Akimov et al. (colaboración COHERENT): Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering. Science 357, 1123–1126 (2017).
- D. Akimov et al.: First measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering on argon. Physical Review Letters 126, 012002 (2021).
- D. Akimov et al.: Measurement of the coherent elastic neutrino-nucleus scattering cross section on CsI. Physical Review Letters 129, 081801 (2022).
- D. Z. Freedman: Physical Review D 9, 1389 (1974).