Primera observación de una elusiva colisión de neutrinos contra el núcleo

En 1974, el físico teórico Daniel Z. Freedman propuso que los neutrinos (unas partículas a veces llamadas ‘fantasma’, sin carga y apenas masa) de 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).

En 1974 Daniel Freedman prodijo la interacción de los neutrinos con los núcleos atómicos que por fin se observa ahora

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 detectarlos utilizaron una zona de la Fuente de Neutrones por Espalación del Laboratorio Nacional Oak Ridge (EE UU), que fue reforzada con más de 12 metros de hormigón y grava para bloquear interferencias con otras partículas.

La difícil detección del retroceso de un núcleo pesado

Después, los investigadores expusieron a los neutrinos a una muestra de yoduro de cesio dopado con sodio, que contiene los núcleos pesados de tamaño ideal para generar el destello de luz y así poder 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.

Los científicos utilizaron el detector de neutrinos más pequeño del mundo en una fuente muy intensa de estas partículas del Laboratorio Nacional Oak Ridge

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

Otra de las autoras del trabajo, Clara Cuesta, actualmente en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), comenta: “Este proceso se ha podido observar gracias a que se ha situado el detector en una fuente de neutrinos muy intensa y con un detector de yoduro de cesio que posee un número alto de neutrones. A pesar de ser pequeño, es sensible a interacciones de poca energía, al tener baja radiactividad y bajo umbral de detección”.

Múltiples aplicaciones

La investigadora destaca que el interés en la CEvNS va más allá de observar este mecanismo predicho en el modelo estándar de física de partículas: «Desde su descripción, 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».

Se podrán desarrollar tecnologías basadas en la detección de neutrinos, una posibilidad casi de ciencia-ficción

Por su parte, Collar coincide en que esta herramienta ayudará a conocer mejor a los neutrinos, «esas partículas ‘fantasma’ de las que todavía ignoramos muchas cosas», y apunta otras posibles aplicaciones: “El desarrollo de tecnologías basadas en la detección de neutrinos, una posibilidad casi de ciencia-ficción que ahora puede hacerse realidad con la miniaturización de los detectores. 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. El flujo de neutrinos que estos emanan es un indicador preciso del tipo de material usado como combustible o generado como producto».

Todo apunta a que las aplicaciones de esta herramienta podrían ser muy diversas, en campos como las telecomunicaciones o la búsqueda de minerales, por ejemplo, aunque estas tardarán más tiempo en desarrollarse. Como apunta el científico español, “no debemos olvidar que pasaron cincuenta años desde que se empezaron a usar los láseres en el laboratorio hasta que llegaron a la cola del supermercado. En nuestro campo, ya hemos dado el primer paso”.

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