Sudbury Neutrino Observatory
El Sudbury Neutrino Observatory (SNO) fue un detector de neutrinos situado a dos kilómetros de profundidad en una mina de níquel cerca de Sudbury, en Ontario. Puso fin en 2002 a un debate que se mantenía desde 1968 y le valió a Arthur B. McDonald el Premio Nobel de 2015.
La pregunta
Desde el experimento Homestake estaba establecido que solo llega alrededor de un tercio de los neutrinos solares esperados. No estaba claro a qué se debía.
Había dos explicaciones sobre la mesa. O bien el modelo solar era erróneo — entonces la astrofísica tendría un problema. O bien los neutrinos se transformaban por el camino — entonces lo tendría la física de partículas.
Ningún detector podía distinguir entre ambas, pues todos respondían únicamente a los neutrinos electrónicos. Un Sol más débil y unos neutrinos transformados producen en un aparato así la misma imagen: demasiado pocos sucesos.
La solución: agua pesada
SNO lo sorteó con un ardid. El detector contenía 1 000 toneladas de agua pesada en un recipiente transparente de acrílico de doce metros de diámetro, rodeado de 9 600 fotomultiplicadores y de una envoltura de agua corriente.
El agua pesada contiene deuterio, y el deuterio puede reaccionar con neutrinos de tres maneras:
Corriente cargada. Solo un neutrino electrónico puede escindir el deuterón en dos protones y un electrón. Esta reacción cuenta, pues, únicamente los neutrinos que han conservado su especie original.
Corriente neutra. Cualquier especie de neutrino puede descomponer el deuterón en un protón y un neutrón. Esta reacción cuenta todos los neutrinos, sea cual sea su especie.
Dispersión elástica con electrones. Todas las especies contribuyen, pero los neutrinos electrónicos con mucha mayor intensidad. Esta reacción proporciona además la dirección.
La comparación de las dos primeras cifras responde a la pregunta de forma inmediata — y ello sin necesidad siquiera de recurrir al modelo solar. En eso reside la elegancia del montaje: mide una razón, y las razones son más robustas que los valores absolutos.
Que fuera posible conseguir 1 000 toneladas de agua pesada se debe a una vía canadiense particular. Las centrales nucleares CANDU de allí trabajan con ella; la agencia estatal de energía atómica prestó las reservas. Su valor ascendía a varios cientos de millones de dólares.
Las tres fases de medida
La corriente neutra produce un neutrón libre — y los neutrones son difíciles de ver. SNO abordó el problema tres veces con medios distintos, lo que hizo que la detección no dependiera de un único procedimiento:
| Fase | Periodo | Detección de los neutrones |
|---|---|---|
| agua pesada pura | 1999–2001 | captura en el deuterio |
| fase con sal | 2001–2003 | dos toneladas de sal común añadidas, captura en el cloro |
| fase de contadores | 2004–2006 | contadores proporcionales con helio-3 |
Las tres fases llegaron al mismo resultado. Es una forma de control que un experimento rara vez puede permitirse.
El resultado
Por la corriente cargada llegó aproximadamente un tercio de la tasa esperada — exactamente el déficit que Davis había encontrado treinta años antes. Por la corriente neutra llegó la tasa completa.
Con ello quedaban demostradas ambas cosas a la vez: el Sol emite exactamente tantos neutrinos como había calculado John Bahcall. Y dos tercios de ellos se transforman por el camino en otras especies.
La publicación decisiva apareció en junio de 2002. Bahcall, que se había aferrado durante tres décadas a su cálculo, comparó después la sensación con haber sostenido durante treinta años la forma esférica de la Tierra — y que entonces alguien regrese de una circunnavegación.
Por qué tenía que estar tan profundo
La mina Creighton ofrece 2 092 metros de roca sobre el detector, lo que equivale a unos 6 000 metros de agua. Solo así pudo reducirse el fondo de muones cósmicos a unos pocos sucesos por día.
A ello se sumó una exigencia de pureza que rozaba la obsesión: cada gramo de polvo en el recipiente de acrílico habría generado neutrones por su radiactividad natural y falseado así la señal de la corriente neutra. El recipiente se ensambló bajo tierra en condiciones de sala limpia.
Repercusión
SNO se apagó en 2006. De la instalación surgió SNOLAB, uno de los laboratorios subterráneos más profundos del mundo. Allí funciona hoy SNO+, que busca la doble desintegración beta sin neutrinos, y junto a ello varios experimentos sobre materia oscura.
Términos relacionados
- Arthur B. McDonald — el director
- Problema de los neutrinos solares — la pregunta resuelta
- Experimento Homestake — el hallazgo de partida
- Efecto MSW — la explicación de la transformación
Fuentes
- Colaboración SNO (Q. R. Ahmad et al.): Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Colaboración SNO: Combined Analysis of all Three Phases of Solar Neutrino Data from the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review C 88, 025501 (2013).