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Primera observación de una elusiva colisión de neutrinos contra el núcleo

Primera observación de una elusiva colisión de neutrinos contra el núcleo

Hace más de 40 años se predijo que los neutrinos, unas partículas sin carga y apenas masa, podrían interaccionar con el núcleo atómico completo, en lugar de solo con los neutrones y los protones por separado. Ahora un grupo internacional de investigadores lo ha verificado experimentalmente en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (EE UU) con el detector de neutrinos más pequeño del mundo.

Primera observacion de una elusiva colision de neutrinos contra el nucleo

Primera observacion de una elusiva colision de neutrinos contra el nucleo Sinc

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En 1974, el físico teórico Daniel Z. Freedman propuso que los neutrinos (unas partículas a veces llamadas 'fantasma', sin carga y apenas masa) y con baja energía deberían ser capaces de interaccionar con el núcleo atómico completo, como una sola entidad, en vez de con los neutrones y protones aislados, algo que por entonces ya se había observado.

El resultado de este tipo de colisión sería una pequeñísima 'patadita' al núcleo atómico, que produciría una señal o radiación casi imperceptible muy difícil de detectar. Pero ahora, más de cuatro décadas después, un equipo internacional  informa en la revista Science que lo han conseguido: por primera vez han demostrado experimentalmente este mecanismo de interacción, registrando la llamada dispersión elástica coherente neutrino-núcleo (CEvNS, por sus siglas en inglés).

La dispersión elástica hace referencia a que tanto antes como después del impacto se tiene el mismo neutrino y núcleo (no varía su energía), y el término 'coherente' quiere decir que el neutrino interactúa con el núcleo entero, en su conjunto (no con sus componentes interiores de forma individual).

Pero comprobar que la teoría era correcta no ha sido nada fácil. "Las cosas se complican cuando se tiene en cuenta que los núcleos más pesados que utilizamos, aquellos para los cuales este tipo de interacción se hace mucho más frecuente, son también en los que el desplazamiento nuclear producido es más pequeño”, explica a Sinc Juan Collar, coautor del estudio y profesor de Física en la Universidad de Chicago. 

Esos insignificantes retrocesos nucleares apenas producen una luz o ionización perceptibles, pero los cerca de 90 investigadores implicados en este experimento, denominado COHERENT encontraron la solución. Para conseguir detectar CEvNS utilizaron una zona de la Fuente de Neutrones por Espalación del Laboratorio nacional Oak (EE UU), que fue reforzada con  más de 12 metros de hormigón y grava para bloquear interferencias con otras partículas.

Después, los investigadores expusieron los neutrinos a una muestra de yoduro de cesio dopado con sodio, que contiene los núcleos pesados de tamaño ideal para generar un destello de luz suficiente como para registrar el retroceso del núcleo tras el impacto. Para ello utilizaron el detector de neutrinos más pequeño del mundo, que puede ser transportado por uno de los científicos y cuyo diseño ha coordinado Collar.

“En los últimos 25 años este tipo de tecnologías se han refinado enormemente gracias a las búsquedas de materia oscura (que se supone producen también desplazamientos insignificantes parecidos), y en nuestro caso, nos concentramos en encontrar la más adecuada para la fuente de neutrinos utilizada”, explica el físico español.

Según explica a Sinc Clara Cuesta, coautora del trabajo actualmente en el CIEMAT, “este proceso se ha podido observar gracias a que se ha situado el detector en una fuente de neutrinos muy intensa en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en EE UU y con un detector de yoduro de cesio que posee un número de neutrones alto. A pesar de ser pequeño, es sensible a interacciones de poca energía al tener baja radiactividad y bajo umbral de detección”.

“El interés en la detección de la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo va más allá de observar este mecanismo predicho en el modelo estándar de física de partículas”, apunta a Sinc otra de la autoras, Clara Cuesta, actualmente en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

"Desde su descripción, CEvNS se ha sugerido como una herramienta para ampliar nuestro conocimiento de las propiedades de los neutrinos mediante la búsqueda de los llamados estériles (solo interactúan con la gravedad), del momento magnético de estas partículas, de interacciones mediadas por otras nuevas, etc. –añade–. Además, se espera que este proceso domine el transporte de neutrinos en estrellas de neutrones y durante el colapso estelar; y también es de gran relevancia en la búsqueda directa de materia oscura".

Por su parte, Collar destaca otra de las posibles aplicaciones del estudio: “El desarrollo de tecnología basadas en la detección de neutrinos, una posibilidad casi de ciencia-ficción que ahora puede hacerse realidad. La primera aplicación tecnológica no tardaremos mucho en verla: un detector de neutrinos compacto representa una manera ideal de controlar el uso de los reactores nucleares dentro de la legalidad impuesta por los acuerdos internacionales contra la proliferación nuclear”.

Todo apunta a que las aplicaciones podrían ser muy diversas, pero algunas tardarán en desarrollarse. Tal y como apunta el científico español, “no debemos olvidar que pasaron cincuenta años entre el uso de los láseres en el laboratorio y en la cola del supermercado. El primer paso ya se ha dado”. 

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El experimento se ha realizado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge. / Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy, Jason Richards, Genevieve Martin

Referencia bibliográfica:

D. Akimov, J. Collar, C. Cuesta et al. "Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering". Science, 03 de agosto de 2017. DOI: 10.1126/science.aao0990 (2017)

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