Cortesía del Observatorio de Kamioka /
CRR (Instituto de Rayos Cósmicos de Investigación de la Universidad de Tokyo)
Uno de los detectores de neutrinos más grandes de la Tierra, es
el Súper-Kamiokande, enterrado debajo de aproximadamente 1 kilómetro de roca en
la montaña ubicada en Kamioka, Japón.
Su tanque está lleno de 50.000.000 de litros
(alrededor de 13.209.000 galones) de agua ultra pura, que utiliza
para buscar signos de partículas notoriamente difíciles de capturar.
Recientemente los miembros de la
colaboración Súper-K dieron el visto bueno a un plan para hacer que el detector
mil veces más sensible con la ayuda de
un compuesto químico llamado sulfato de gadolinio.
Los neutrinos se hacen en una variedad
de procesos naturales. También se producen en los reactores nucleares, y los
científicos pueden crear haces de neutrinos en los aceleradores de partículas. Estas
partículas son eléctricamente neutras, tienen poca masa e interactúan
débilmente con la materia - características que los hacen extremadamente
difíciles de detectar, aunque billones vuelan por cualquier detector dado en
cada segundo.
El Súper-K atrapa cada día unos 30
neutrinos que interactúan con el hidrógeno y el oxígeno en las moléculas de
agua de su tanque. Mantiene su agua ultrapura con un sistema de filtración que
elimina las bacterias, los iones y los gases.
Los científicos toman precauciones
adicionales tanto para mantener limpia el agua ultrapura y evitar el contacto
con la sustancia altamente corrosiva.
"Una
vez alguien dejó caer un martillo en el tanque",
dice Marcos Vagins experimentalista de la Universidad de Instituto Kavli de
Tokio para la Física y Matemáticas del Universo. "Fue cromado para verlo bien y brillante. Finalmente
encontramos el cromo y pero no el martillo”.
Cuando un neutrino interactúa en el
detector Super-K, crea otras partículas que viajan a través del agua más rápido
que la velocidad de la luz, creando un destello azul. El tanque está
forrado con cerca de 13.000 detectores fototubo que pueden ver la luz.
Buscando
reliquias de neutrinos
En promedio, varias estrellas masivas
explotan, cada segundo, como supernovas en algún lugar del universo. Si la
teoría es correcta, todas las supernovas que han explotado a lo largo de los 13.800.000.000
millones de años del universo, han echado trillones y trillones de neutrinos. Eso
significa que el cosmos se iluminará en el fondo en forma tenue, debido a los neutrinos
reliquia. Los científicos podrían simplemente encontrar una manera de ver
siquiera una fracción de esas partículas fantasmales.
Alrededor de la mitad del año, el
detector Súper-K se utiliza en el experimento T2K, que produce un haz de
neutrinos en Tokai, Japón, a unos 295 kilómetros (183 millas) de distancia, es
el objetivo del Súper-K.
Durante el viaje al detector, algunos
de los neutrinos cambian de un tipo de neutrino a otro. Estudios efectuados
en el experimento T2K de estos cambios, podría dar a los científicos pistas
sobre por qué nuestro universo tiene mucho más materia que antimateria.
Pero un rayo T2K no se ejecuta de forma
continua durante ese medio año. En su lugar, los investigadores envían un
impulso del haz cada pocos segundos, y cada pulso dura sólo unos pocos
microsegundos de largo.
Super-K todavía detecta neutrinos de
los procesos naturales, mientras que los científicos los están ejecutando
mediante T2K.
En 2002, en una reunión relacionada con
los neutrinos efectuada en Munich, Alemania, el experimentalista Vagins y el teórico
John Beacom de la Universidad Estatal de Ohio comenzaron a pensar en la forma
en que mejor podrían utilizar el Super-K para espiar neutrinos originados en
las supernovas reliquias del universo.
"Por
lo menos un par de horas allí estábamos de pie en la estación de metro de
Múnich en algún lugar bajo tierra, la eclosión nuestros planes
subterráneos", dice Beacom.
Para seleccionar las pocas señales que
provienen de los eventos de neutrinos, se tiene que luchar contra un repiqueteo
constante de ruido de fondo ocasionado por otras partículas, son partículas cósmicas
entrantes tales como los muones (primo
más pesado del electrón) o incluso electrones emitidos por sustancias
radiactivas naturales en la roca que pueden producir señales que se parecen a las que
los científicos esperan encontrar de los neutrinos. Nadie quiere reclamar
un descubrimiento que más tarde resulte ser una señal de una roca cercana.
Súper-K ya protege contra algunos de
estos ruidos de fondo al estar enterrado bajo tierra; sin embargo, algunas
partículas no deseadas pueden pasar, y es la razón por la cual los científicos necesitan maneras de separar
las señales que quieren engañar a las
señales de fondo.
Vagins y Beacom asentaron una idea y un
nombre para la siguiente etapa del experimento: Gadolinio Antineutrino Detector
celosamente superando Antiguo Kamiokande Súper (Gadzooks); y propusieron que sería
necesario añadir 100 toneladas del gadolinio compuesto de sulfato-GD2 (SO4)
3-al agua ultrapura del Súper-K.
Cuando un neutrino interactúa con una
molécula, libera un leptón cargado (un muón, electrón, tau o una de sus
antipartículas), junto con un neutrón. Los neutrones son miles de veces
más propensos a interactuar con el sulfato de gadolinio que con otra molécula
de agua. Así que cuando un neutrino atraviesa Súper-K e interactúa con una
molécula, su muones, electrones o antipartícula (Súper-K no puede ver
partículas tau) generará un primer pulso de luz, y el neutrón creará un segundo
pulso de luz: "dos pulsos, como un
golpe-golpe", dice Beacom.
Por el contrario, un muón o electrones de
fondo harán un único pulso de luz.
Para extraer sólo las interacciones de
neutrinos, los científicos utilizarán Gadzooks! para centrarse en los
eventos de dos señales y expulsar a los eventos de señal única, lo que reduce
el ruido de fondo considerablemente.
El
Prototipo
Pero no se puede simplemente añadir 100
toneladas de un compuesto químico a un enorme detector sin hacer algunas
pruebas primero. Así Vagins y sus colegas construyeron una versión a
escala reducida, que llamaron Evaluación Acción de gadolinio en sistemas de
detección (EGADS). A 0,4 por ciento el tamaño de Súper-K, utiliza 240 de
las mismas células fotoeléctricas y 200 toneladas (52.000 galones) de agua
ultrapura.
En los últimos años, el equipo de Vagins
ha trabajado extensamente para mostrar los beneficios de su idea. Un
aspecto de sus esfuerzos ha sido la construcción de un sistema de filtración
que elimina todo, desde el agua ultrapura a excepción del sulfato de gadolinio. Ellos
presentaron sus resultados en una reunión de colaboración a finales de junio.
El 27 de junio, el equipo de Súper-K
aprobó oficialmente la propuesta de añadir sulfato de gadolinio, pero cambió el
nombre del proyecto a SúperK-Di-s.
Los próximos pasos son para drenar
Súper-K para comprobar que no haya fugas y repararlas, reemplazar cualquier
fotocubos quemados y luego volver a llenar los tanques.
“Pero
este proceso debe ser coordinado con el T2K”, dice Masayuki
Nakahata, el portavoz de la colaboración Súper-K.
“Una
vez que el tanque se rellena con agua ultrapura, los científicos sumarán las
100 toneladas de sulfato de gadolinio. Una vez que se añade el compuesto,
el sistema de filtración actual podría eliminarlo en cualquier momento lo que les
gustaría a los investigadores”, dice Vagins.
"Pero
creo que una vez que tengamos esto en Súper-K y vemos el poder de ella, va a
ser indispensable", dice. "Va a ser el tipo de cosas que la gente no quiere renunciar a la física
adicional una vez que se acostumbre a ella."
Compilado de Symmetry 22.julio.2015