KamLAND
KamLAND — Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector — se encuentra en aquella caverna de Japón en la que antes trabajaba el detector Kamiokande. Entró en funcionamiento en 2002 y aportó el hallazgo que fijó definitivamente la oscilación de neutrinos.
El montaje
En el centro cuelga un globo de lámina plástica finísima con 1 000 toneladas de centellador, rodeado de un líquido tampón, de un tanque de acero con 1 879 fotomultiplicadores y, por último, de una envoltura de agua. Por encima hay 1 000 metros de roca.
Se detectan antineutrinos mediante la desintegración beta inversa — con la misma coincidencia retardada de dos destellos de luz que Cowan y Reines habían inventado en 1956.
Que la instalación pudiera construirse en una caverna ya existente ahorró años. Kamiokande había sido relevado en 1996 por Super-Kamiokande y estaba vacío.
Todo un país como fuente
La particularidad de KamLAND es la fuente. En lugar de un único reactor, el detector aprovecha todas las centrales nucleares de Japón — en la época de su construcción, unos 55 reactores repartidos por el país, a una distancia media de unos 180 kilómetros.
Esa distancia era el punto decisivo. Los experimentos anteriores con reactores tenían separaciones de unos pocos cientos de metros hasta un kilómetro y no encontraron nada. En 180 kilómetros, en cambio, está justo el rango en el que debería actuar la oscilación deducida de los neutrinos solares.
Con ello podía zanjarse una pregunta que todas las mediciones solares dejaban abierta: ¿se manifiesta el mismo efecto también en una fuente que se conoce, cuya intensidad puede calcularse y que está en la Tierra?
La desaparición
En 2002, KamLAND comunicó que faltaban antineutrinos. Aproximadamente el 40 por ciento de la tasa esperada no llegaba.
Eso por sí solo no confirmaba de forma concluyente la oscilación — también otras explicaciones habrían producido un déficit. La desintegración de los neutrinos durante el trayecto o una fuga hacia dimensiones espaciales adicionales: ambas se habían considerado seriamente.
La forma de onda
El triunfo propiamente dicho llegó dos años después. Con más datos pudo no solo contarse cuántos faltan, sino también a qué energía.
Y allí se puso de manifiesto la forma característica: un valle en el espectro, luego un nuevo ascenso, luego un segundo valle. Exactamente así es como se ve una oscilación cuando se representa en función de la energía — la probabilidad oscila de un lado a otro.
Una desintegración de los neutrinos habría dado un espectro que decae suavemente; una fuga hacia dimensiones adicionales, otro distinto. Solo la oscilación genera ondas.
Con ello quedaba confirmada la interpretación del problema de los neutrinos solares con independencia de cualquier hipótesis sobre el Sol, y la diferencia de masas correspondiente quedaba determinada con una precisión de pocos por ciento.
La mirada al interior de la Tierra
En 2005, KamLAND comunicó la primera detección de geoneutrinos — antineutrinos procedentes de la desintegración radiactiva de uranio y torio en el manto y en la corteza terrestres.
El emplazamiento japonés es de por sí desfavorable para ello, porque los numerosos reactores generan un fondo intenso. Tras el apagado de casi todas las centrales nucleares japonesas a partir de 2011, las condiciones mejoraron involuntariamente de forma considerable — un caso raro en que un experimento se benefició de un suceso ajeno a la ciencia.
KamLAND-Zen
Desde 2011 cuelga en el interior un globo adicional, más pequeño, con xenón-136, disuelto en el centellador. Con él, la colaboración busca la doble desintegración beta sin neutrinos — aquel proceso que mostraría que el neutrino es su propia antipartícula.
El modo de construcción es notablemente económico: en lugar de levantar un detector nuevo, se completa el existente con un volumen dentro del volumen. El xenón puede además extraerse y volver a introducirse, lo que permite modificaciones.
La desintegración no se ha encontrado. Los límites inferiores para el período de semidesintegración figuran entre los más estrictos del mundo.
Términos relacionados
- Neutrinos de reactor — la fuente
- Daya Bay — el otro gran experimento con reactores
- Geoneutrinos — la mirada al interior de la Tierra
- JUNO — el sucesor a una escala veinte veces mayor
Fuentes
- Colaboración KamLAND: First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
- Colaboración KamLAND: Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).