Super-Kamiokande
Super-Kamiokande es un detector de neutrinos situado en la prefectura de Gifu, en Japón, a 1 000 metros bajo el monte Ikeno. Con él se logró en 1998 la primera detección sólida de la oscilación de neutrinos — y con ella la prueba de que los neutrinos poseen masa.
El dispositivo
El tanque es un cilindro de 39 metros de diámetro y 42 metros de altura, lleno de 50 000 toneladas de agua extraordinariamente pura. Las paredes sostienen más de once mil fotomultiplicadores de medio metro de diámetro cada uno — los mayores que jamás se hayan construido en serie.
El principio de detección es la radiación de Cherenkov. Cuando un neutrino golpea un electrón o un núcleo atómico, se origina una partícula cargada. Si esta se mueve más deprisa que la luz en el agua — lo cual está permitido, pues allí la luz es más lenta que en el vacío —, arrastra tras de sí un cono de luz, semejante a la ola de proa de un barco.
En la pared del tanque este cono dibuja un anillo. De su posición se sigue la dirección, de su brillo la energía y de su nitidez la clase de partícula: un electrón se dispersa en su camino y produce un anillo difuso, un muón avanza en línea recta y produce uno nítido. Precisamente esta distinción fue decisiva para el descubrimiento de 1998.
La roca situada encima equivale a 2 700 metros de agua y detiene la mayor parte de los muones cósmicos.
El descubrimiento de 1998
El detector entró en funcionamiento en abril de 1996. Dos años después Takaaki Kajita presentó el resultado que hizo famosa la instalación.
Los neutrinos atmosféricos llegan desde todas las direcciones — desde arriba tras 15 kilómetros de recorrido, desde abajo tras 13 000 kilómetros a través de la Tierra. Super-Kamiokande encontró desde arriba el número esperado de neutrinos muónicos, pero desde abajo solo alrededor de la mitad. Los neutrinos electrónicos no mostraron tal déficit.
La dependencia del ángulo de incidencia fue la verdadera prueba. Un fallo del detector habría actuado igual arriba que abajo; una transformación que depende de la longitud del camino actúa exactamente así.
El accidente de 2001
El 12 de noviembre de 2001, mientras el tanque se volvía a llenar tras trabajos de mantenimiento, uno de los tubos fotomultiplicadores implosionó en la profundidad. La onda de presión arrastró al siguiente, y luego al de más allá. En cuestión de segundos una reacción en cadena destruyó unos 6 600 de los once mil tubos.
Fue un daño de muchos millones de dólares y podría haber sido el final del proyecto. La colaboración redistribuyó los tubos restantes por el tanque y reanudó el funcionamiento con media ocupación al cabo de un año. En 2006 se había repuesto la dotación completa — y desde entonces cada tubo lleva una envoltura protectora de acrílico y fibra de vidrio, para que un efecto dominó semejante no pueda repetirse.
Qué más consigue el detector
Neutrinos solares. A diferencia de los procedimientos radioquímicos, Super-Kamiokande mide en tiempo real y con indicación de la dirección. Los neutrinos proceden demostrablemente de la dirección del Sol.
Experimentos con haz. Desde 2010 la instalación es el punto de destino de T2K — un haz de neutrinos procedente de Tokai, a 295 kilómetros de distancia. Con él pudo detectarse en 2013 por primera vez la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos.
Desintegración del protón. La pregunta original del detector precedente se sigue persiguiendo. No se ha encontrado nada; el límite inferior para la vida media del protón se sitúa entre tanto por encima de 10³⁴ años.
Preparación para supernovas. Si en nuestra galaxia explota una estrella, el detector recogería miles de neutrinos. Forma parte de una red mundial de alerta temprana para astrónomos.
Gadolinio
Desde 2020 se añade gadolinio al agua. Este elemento captura neutrones y emite al hacerlo una señal luminosa característica.
La ganancia es considerable: permite reconocer la desintegración beta inversa por la señal doble y distinguir con seguridad un antineutrino de un neutrino. Eso abre la búsqueda del fondo difuso de neutrinos de supernova — la suma de todas las explosiones estelares en la historia del universo.
Sucesión
Hyper-Kamiokande se está construyendo actualmente y, con unas 258 000 toneladas de agua, contendrá alrededor de ocho veces más. Super-Kamiokande mismo permanece en funcionamiento.
Términos relacionados
- Takaaki Kajita — el descubrimiento de 1998
- Masatoshi Koshiba — el detector precedente
- Radiación de Cherenkov — el principio de detección
- T2K — el haz procedente de Tokai
- Hyper-Kamiokande — el sucesor
Fuentes
- Colaboración Super-Kamiokande (Y. Fukuda et al.): Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Colaboración Super-Kamiokande: First gadolinium loading to Super-Kamiokande, Nuclear Instruments and Methods A 1027, 166248 (2022).