Experimento Homestake

El experimento Homestake fue el primer intento de detectar neutrinos procedentes del Sol. Raymond Davis lo mantuvo en funcionamiento de 1968 a 1994 en una mina de oro de Dakota del Sur. Entregó un resultado que durante treinta años nadie supo explicar — y fue con ello el comienzo de una de las búsquedas de errores más fructíferas de la historia de la física.

La tarea

Hasta los años sesenta, la fusión nuclear en el interior del Sol era una teoría bien fundada, pero nadie la había observado nunca de forma directa. La luz que nos llega procede de la superficie; la energía ha tardado decenas de miles de años en llegar hasta allí. Lo que ocurre ahora mismo en el núcleo no lo revela.

Los neutrinos sí. Abandonan el núcleo sin obstáculos y están aquí al cabo de poco más de ocho minutos. Quien los cuenta ve arder el Sol.

John Bahcall había calculado cuántos de ellos deberían llegar. La tarea de Davis era encontrarlos.

El montaje

El procedimiento se basa en una reacción nuclear que Bruno Pontecorvo había propuesto: un neutrino electrónico convierte un núcleo de cloro-37 en un núcleo de argón-37 y un electrón. El umbral está en 814 kiloelectronvoltios — lo bastante alto como para que solo se registren los escasos neutrinos energéticos procedentes de la desintegración del boro-8, es decir, menos de un uno por ciento de todos los neutrinos solares.

Como fuente de cloro sirvió el percloroetileno, un líquido de limpieza corriente. Había 615 toneladas en un tanque de acero, 1 478 metros bajo tierra, en el nivel de los 4850 pies de la mina Homestake, junto a Lead, en Dakota del Sur. La roca por encima frena los muones cósmicos, que de otro modo habrían tapado cualquier señal.

La dificultad propiamente dicha

El cálculo de Bahcall arrojaba que en ese tanque se formaría aproximadamente un átomo de argón cada dos días. A lo largo de una tanda de medición de dos meses se acumulaban, por tanto, algunas decenas de átomos — en 615 toneladas de líquido, es decir, entre unos 10³⁰ átomos más.

La mayoría de los especialistas lo consideraban imposible. Davis era químico, no físico, y para un químico no era una tarea imposible, sino difícil.

Su procedimiento: cada pocas semanas se insuflaba helio a través del tanque. El gas noble arrastra consigo el argón, igualmente noble, mientras el percloroetileno queda atrás. El argón se congelaba en una trampa fría, se transfería a un diminuto tubo contador y allí se detectaba uno a uno a través de su desintegración radiactiva. El argón-37 tiene un período de semidesintegración de 35 días — lo bastante corto para contar casi todo en pocos meses, lo bastante largo para sobrevivir a la extracción.

Y aún hay más: Davis demostró que su procedimiento encuentra realmente cada átomo. Introdujo en el tanque una cantidad minúscula y conocida de argón y volvió a extraerla. El rendimiento superó el 90 por ciento — un control positivo difícilmente más estricto.

El resultado que nadie quería

A partir de 1968 hubo cifras. Davis encontró aproximadamente un tercio de lo que Bahcall había calculado.

No era un resultado ajustado, sino una brecha abierta. Y las explicaciones inmediatas eran evidentes: o bien Bahcall calculaba mal, o bien Davis medía mal.

Ambos verificaron durante décadas. Bahcall refinó su modelo solar cada vez más y dejó que lo confirmara de forma independiente la heliosismología — de las oscilaciones de la superficie solar puede deducirse la estructura interna, del todo sin neutrinos. Davis repitió sus calibraciones y comprobó si su tanque respondía acaso a alguna otra cosa; entre otras cosas colocó un tanque junto a un reactor nuclear y allí no encontró nada, como era de esperar, porque los reactores emiten antineutrinos y no neutrinos.

Ninguno de los dos halló un error. Porque no lo había.

La solución

El problema de los neutrinos solares permaneció abierto hasta 2002. Entonces el Observatorio de Neutrinos de Sudbury mostró que los neutrinos que faltaban no habían desaparecido, sino que solo se habían transformado — en tipos a los que el tanque de cloro de Davis no podía responder por principio.

Si se suman los tres tipos, la cifra de Bahcall cuadra.

La medición de Davis había sido, por tanto, correcta desde el principio. Solo había medido algo distinto de lo que todos suponían — y justo en ello residía el descubrimiento.

Repercusión

Davis recibió en 2002 el Premio Nobel, junto con Masatoshi Koshiba. Tenía entonces 87 años.

El lugar mismo ha encontrado una continuación notable. En esas mismas galerías se construye hoy el detector lejano de DUNE — cuatro módulos con 68 000 toneladas de argón líquido en conjunto. Donde antaño había un único tanque con líquido de limpieza se decidirá en el futuro la cuestión de la violación de CP.

Términos relacionados

• Raymond Davis — el responsable
• John Bahcall — la predicción
• Problema de los neutrinos solares — el hallazgo
• GALLEX y SAGE — los sucesores con umbral más bajo
• DUNE — la misma montaña hoy

Fuentes

• R. Davis Jr., D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for Neutrinos from the Sun, Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
• B. T. Cleveland et al.: Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector, The Astrophysical Journal 496, 505 (1998).