Los químicos viajan a través del mundo para estudiar las misteriosas propiedades de los neutrinos

En la búsqueda por comprender mejor la naturaleza de una de las partículas elementales más “fantasmales — el neutrino — los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) están compartiendo su experiencia en las minas de Canadá y las montañas de China. Richard L. Hahn, químico veterano en el Laboratorio Brookhaven, discutió algunas de las misteriosas propiedades de los neutrones y dos nuevos proyectos de investigación con neutrinos en la 236 Reunión Nacional de la Sociedad Química Americana.

Los neutrinos son partículas elementales sin carga creados por las reacciones nucleares en el Sol, debido a los rayos cósmicos en nuestra atmósfera y reacciones nucleares en reactores y aceleradores en la Tierra. Las propiedades de los neutrinos continúan fascinando a los científicos conforme analizar el papel de los neutrinos en el universo.

La historia de Brookhaven en la investigación de los neutrinos solares data de inicios de la década de 1970, cuando el trabajo científico pionero de Ray Davis en una mina de oro de Dakota del Sur alborotó el mundo de los neutrinos documentando que se habían detectado menos neutrinos electrón (el tipo producido por el Sol) de los que debería haber basándonos en la teoría. Davis (junto con Masatoshi Koshiba de Japón y Riccardo Giacconi de los Estados Unidos) fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2002.

Ese mismo año, el científico del Observatorio de Neutrinos Sudbury (SNO) en Ontario, incluyendo a Hahn y los miembros de su grupo de Brookhaven, resolvieron el “problema del neutrino solar” de Davis determinando que los neutrinos “oscilan”, o cambian, entre tres tipos distintos conforme viajan desde el Sol a la Tierra. De esta forma, los neutrinos electrón observados por Davis eran sólo una fracción del número total que alcanzaron la Tierra. El resto habían cambiado a neutrinos muón o tau que no se detectaron en los experimentos originales de Davis.

Ahora, investigadores de Brookhaven y de todo el mundo están volviendo su atención hacia dos nuevos esfuerzos en el campo de los neutrinos: los experimentos en la Planta de Energía Nuclear Daya Bay en China, y la actualización del SNO, llamada SNO+. En su charla, Hahn proporcionó detalles de estos experimentos a gran escala.

“En estos experimentos, estamos preguntando por una cuestión muy fundamental: ¿Cómo podemos comprender mejor las propiedades detalladas de los neutrinos?”, dijo Hahn.

Los investigadores han caracterizado claramente dos de las oscilaciones de neutrinos entre distintos sabores, pero aún no conocen los detalles de la tercera oscilación. El objetivo del experimento Daya Bay, una colaboración entre investigadores de los Estados Unidos, China, Hong Kong, Taiwán, Rusia, y la República Checa, es medir un parámetro esencial de esta tercera oscilación conocida como ángulo de mezcla angle θ₁₃ (pronunciado “teta-uno-tres”).

“Para comprender la mezcla y oscilaciones de los neutrinos, debemos conocer el valor del ángulo de mezcla”, dijo Hahn. “Todo lo que sabemos hasta ahora es pequeño”.

Para determinar este ángulo, los investigadores usarán detectores de 80 toneladas para observar antineutrinos, las antipartículas de los neutrinos, las cuales se producen en las reacciones nucleares. Cada detector contiene una mezcla de líquido orgánico metálico en el centro, que está rodeado por líquido orgánico sin metales, ambos en los que Hahn y su grupo de Brookhaven han ayudado en el desarrollo. Cuando los neutrinos pasan a través de la mezcla de líquido orgánico metálico, se producen destellos de luz. Colocando detectores a distintas distancias de los reactores, Hahn y sus colegas fueron capaces de cartografiar las oscilaciones de antineutrinos de un sabor a otro.

Hahn y su grupo están desarrollando otra mezcla de líquido orgánico metálico para detectar neutrinos en el experimento SNO+. Este experimento usará la misma configuración general que el experimento completado SNO — una gran vasija redonda acrílica del tamaño de un edificio de 10 plantas (descrito como el matraz más grande del mundo) situado a más de 2 kilómetros bajo tierra en la Mina Creighton de la Compañía International Nickel. Los investigadores de SNO+ reemplazarán el agua pesada usada para SNO con mezcla de líquido orgánico metálico.

Los investigadores que trabajan en SNO+ estudiarán el decaimiento doble-beta, un modo de decaimiento radiactivo raramente visto — en el cual dos neutrones se cambian en protones, emitiendo dos electrones y (más a menudo) dos neutrinos. Un objetivo principal del experimento será buscar el decaimiento doble-beta en el cual no se emiten neutrinos — un modo que nunca antes se ha visto.

“Esto demostraría que el neutrino es su propia antipartícula”, dijo Hahn. “actualmente algunas evidencias sugieren que los neutrinos son distintos de los antineutrinos, aunque ciertas teorías predicen que en realidad son la misma partícula. Esto es importante para comprender si esas teorías son ciertas o no”.

“Debería haber cantidades iguales de materia y antimateria presentes en el Big Bang, el inicio del universo”, dijo Hahn. “Hoy, sin embargo, la materia domina en nuestra Tierra — explicando por qué no nos aniquilamos entre nosotros al estrechar nuestras manos. Si los neutrinos resultan ser su propia antipartícula, esto ayudaría a comprender más sobre este desequilibrio.

“Este experimento realiza una pregunta clave sobre cómo nuestro rincón del universo existe tal y como es — con materia pero sin antimateria”.

Esta investigación está patrocinada por la Oficina de Física Nuclear y la Oficina de Física de Alta Energía del Gabinete Científico del Departamento de Energía de los Estados Unidos.