DONUT

DONUT — Direct Observation of the Nu Tau — fue un experimento del Fermilab que en el año 2000 detectó el neutrino tau. Era la última de las doce partículas de materia del modelo estándar que aún faltaba.

Un cuarto de siglo de espera

Martin Perl había descubierto en 1975 el leptón tau y había abierto con ello una tercera familia de leptones. Como a cada leptón cargado le corresponde un neutrino propio, cabía esperar un tercero.

Apenas había dudas. En 1989, la medición de la anchura de desintegración del bosón Z en el CERN mostró que existen exactamente tres clases ligeras de neutrinos — ni dos, ni cuatro. Pero la tercera no se había visto nunca.

El motivo está en la detección misma. Un neutrino tau solo se delata generando un leptón tau. Este vive unas 0,3 billonésimas de segundo y recorre en ese tiempo aproximadamente un tercio de milímetro antes de desintegrarse. Hay que ver, pues, una traza de menos de un milímetro de longitud — y dentro de ella un quiebro.

Ningún detector electrónico resuelve eso. Las cámaras de hilos más finas llegan a algunas décimas de milímetro.

La producción del haz

DONUT tuvo que fabricarse primero sus neutrinos tau. Un haz de protones de 800 gigaelectronvoltios incidía sobre un bloque de wolframio. En ese proceso surgen, entre otras cosas, mesones D_s — partículas pesadas con un quark encantado que en una pequeña fracción se desintegran en un leptón tau y un neutrino tau.

Todo lo demás se mantuvo alejado: el bloque de wolframio detenía los hadrones, campos magnéticos desviaban las partículas cargadas, el blindaje absorbía el resto. Quedó un haz de neutrinos en el que, junto a neutrinos electrónicos y muónicos, había una proporción de alrededor del cinco por ciento de neutrinos tau.

El regreso a la placa fotográfica

Para la detección, DONUT recurrió a una técnica procedente de los primeros tiempos de la física de partículas: la emulsión fotográfica.

El detector constaba de capas de acero y de película de emulsión. El acero aporta masa para que llegue a producirse una interacción. La emulsión registra las trazas de las partículas cargadas con una resolución inferior a un micrómetro — mil veces más fina que cualquier detector electrónico.

El precio de ello es el esfuerzo. Una película almacena todo lo que alguna vez ha pasado por ella y no se puede leer como un chip. Por eso, los detectores electrónicos indicaban de forma aproximada dónde había ocurrido algo; las placas de emulsión correspondientes se revelaban después y se examinaban automáticamente al microscopio.

Cuatro sucesos

De unos seis millones de interacciones registradas quedaron, tras la selección, alrededor de mil candidatos. Al final, cuatro presentaban el quiebro inconfundible.

Cuatro sucesos como base de un descubrimiento — suena escaso. Lo decisivo es la comparación con el fondo esperado, y este era de unos 0,3 sucesos. La probabilidad de obtener cuatro trazas así por azar es ínfima.

La colaboración dio a conocer el descubrimiento en julio de 2000. Un análisis posterior y más afinado del conjunto completo de datos elevó la cifra a nueve sucesos.

Lo que con ello se había alcanzado

Con DONUT quedaban detectadas las doce partículas de materia del modelo estándar: seis quarks y seis leptones, entre ellos tres neutrinos. Salvo el bosón de Higgs, que llegó en 2012, el edificio estaba completo.

Para la física de neutrinos esto tuvo consecuencias inmediatas. La oscilación de neutrinos se describe como una transición entre exactamente estas tres clases, y la matriz PMNS tiene tres filas y tres columnas. Mientras la tercera clase solo estuvo inferida, quedaba una laguna en esa cadena de pruebas.

DONUT la cerró. Quince años más tarde, OPERA mostró con la misma técnica de emulsión que los neutrinos muónicos se transforman efectivamente en neutrinos tau durante el trayecto — con lo que el círculo quedaba cerrado.

Términos relacionados

• OPERA — la prueba de la transformación
• Martin Perl — descubridor del leptón tau
• Leptón — las tres familias
• Bosones W y Z — la medición del número de familias

Fuentes

• Colaboración DONUT (K. Kodama et al.): Observation of tau neutrino interactions, Physics Letters B 504, 218 (2001).
• Colaboración DONUT: Final tau-neutrino results from the DONuT experiment, Physical Review D 78, 052002 (2008).