Experimento de neutrinos de Cowan-Reines

El experimento de neutrinos de Cowan-Reines fue realizado por los físicos Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956. El experimento confirmó la existencia de los neutrinos . En la década de 1930 , se había conjeturado que los neutrinos, partículas subatómicas sin carga eléctrica y de masa muy pequeña, eran una partícula esencial en los procesos de desintegración beta . Debido a su falta de carga y masa minúscula, estas partículas parecían imposibles de detectar. El experimento aprovechó un enorme flujo de antineutrinos electrónicos (entonces hipotéticos) que emanaban de un reactor nuclear cercano y un detector compuesto por grandes tanques de agua. Se observaron interacciones de neutrinos con los protones del agua, verificando por primera vez la existencia y las propiedades básicas de esta partícula.

Durante las décadas de 1910 y 1920, las observaciones de electrones provenientes de la desintegración beta nuclear mostraron que su energía tenía una distribución continua. Si el proceso involucrara solo el núcleo atómico y el electrón, la energía de este último presentaría un único pico estrecho, en lugar de un espectro energético continuo. Dado que solo se observaba el electrón resultante, su energía variable sugería que la energía podría no conservarse. ^{[ 1 ]} Este dilema y otros factores llevaron a Wolfgang Pauli a intentar resolverlo postulando la existencia del neutrino en 1930. Para preservar el principio fundamental de conservación de la energía , la desintegración beta debía ser una desintegración de tres cuerpos, en lugar de una de dos. Por lo tanto, además de un electrón, Pauli sugirió que otra partícula era emitida desde el núcleo atómico durante la desintegración beta. Esta partícula, el neutrino, tenía una masa muy pequeña y carecía de carga eléctrica; no se observaba, pero transportaba la energía faltante.

La sugerencia de Pauli fue desarrollada en una teoría propuesta para la desintegración beta por Enrico Fermi en 1933. ^{[ 2 ] [ 3 ]} La teoría postula que el proceso de desintegración beta consiste en cuatro fermiones que interactúan directamente entre sí. Mediante esta interacción, el neutrón se desintegra directamente en un electrón , el neutrino hipotético (posteriormente determinado como un antineutrino ) y un protón . ^{[ 4 ]} La teoría, que demostró ser notablemente exitosa, se basaba en la existencia del neutrino hipotético. Fermi presentó por primera vez su teoría "tentativa" de la desintegración beta a la revista Nature , que la rechazó "porque contenía especulaciones demasiado alejadas de la realidad como para ser de interés para el lector. ^{[ 5 ]} "

Un problema con la conjetura del neutrino y la teoría de Fermi era que el neutrino parecía tener interacciones tan débiles con la materia que nunca se observaría. En un artículo de 1934, Rudolf Peierls y Hans Bethe calcularon que los neutrinos podían atravesar la Tierra fácilmente sin interactuar con ninguna materia. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Mediante la desintegración beta inversa , el neutrino predicho, más correctamente un antineutrino electrónico (${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$), debería interactuar con un protón ( p ) para producir un neutrón ( n ) y un positrón (${\displaystyle e^{+}}$),

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to n+e^{+}}$

La probabilidad de que ocurriera esta reacción era pequeña. La probabilidad de que ocurra una reacción dada es proporcional a su sección transversal . Cowan y Reines predijeron que la sección transversal de la reacción sería aproximadamente6 × 10 ⁻⁴⁴  cm ² . La unidad habitual para una sección transversal en física nuclear es un barn , que es1 × 10 ⁻²⁴  cm ² y 20 órdenes de magnitud más grande.

A pesar de la baja probabilidad de la interacción del neutrino, las señales de dicha interacción son únicas, lo que permite detectar estas interacciones poco frecuentes. El positrón , la antipartícula del electrón , interactúa rápidamente con cualquier electrón cercano , aniquilándose mutuamente . Los dos rayos gamma ( γ ) resultantes son detectables. El neutrón puede detectarse mediante su captura por un núcleo adecuado, liberando un tercer rayo gamma. La coincidencia de la aniquilación del positrón y la captura del neutrón proporciona una señal única de la interacción del antineutrino.

Una molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno , y la mayoría de los átomos de hidrógeno del agua tienen un solo protón como núcleo. Estos protones pueden servir como blancos para los antineutrinos, por lo que el agua simple puede funcionar como material de detección primario. Los átomos de hidrógeno están tan débilmente unidos en el agua que pueden considerarse protones libres para la interacción de los neutrinos. El mecanismo de interacción de los neutrinos con núcleos más pesados, aquellos con varios protones y neutrones, es más complejo, ya que los protones constituyentes están fuertemente ligados dentro de los núcleos.

Dada la pequeña probabilidad de interacción de un solo neutrino con un protón, los neutrinos solo podían observarse utilizando un enorme flujo de neutrinos. A partir de 1951, Cowan y Reines, ambos científicos en Los Alamos, Nuevo México , pensaron inicialmente que las ráfagas de neutrinos de las pruebas de armas atómicas que se estaban realizando en ese momento podrían proporcionar el flujo requerido. ^{[ 8 ]} Para una fuente de neutrinos, propusieron usar una bomba atómica. Se obtuvo el permiso para esto del director del laboratorio, Norris Bradbury . El plan era detonar una "bomba nuclear de 20 kilotones, comparable a la lanzada sobre Hiroshima, Japón". Se propuso que el detector se dejara caer en el momento de la explosión en un agujero a 40 metros del lugar de la detonación "para capturar el flujo en su máximo"; se le llamó "El Monstro". ^{[ 9 ]} Finalmente utilizaron un reactor nuclear como fuente de neutrinos, como les aconsejó el líder de la división de física de Los Alamos, JMB Kellogg. El reactor tenía un flujo de neutrinos de5 × 10 ¹³ neutrinos por segundo por centímetro cuadrado, ^{[ 10 ]} mucho más alto que cualquier flujo alcanzable de otras fuentes radiactivas . La fuente específica fue la desintegración beta menos de productos de fisión , creando antineutrinos electrónicos, por ejemplo en la producción de fisión de yodo-131 :

${\displaystyle {\ce {^{131}_{53}I->_{54}^{131}Xe^{\ast }{}+\beta ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+606keV}}}$

Se empleó un detector compuesto por dos tanques de agua, que ofrecía una gran cantidad de objetivos potenciales en los protones del agua. En aquellos raros casos en que los neutrinos interactuaban con los protones del agua, se creaban neutrones y positrones :

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to n+e^{+}}$

o más bien

${\displaystyle {\ce {{\bar {\nu }}_{e}+H2O\to OH^{-}{}+n{}+e^{+}}}}$

A continuación, se produce la aniquilación electrón-positrón :

${\displaystyle {\ce {e^{+}{}+e^{-}\to 2\gamma _{511keV}}}}$

Los dos rayos gamma generados por la aniquilación de positrones se detectaron intercalando los tanques de agua entre tanques llenos de centelleador líquido . El material centelleador emite destellos de luz en respuesta a los rayos gamma, y ​​estos destellos son detectados por tubos fotomultiplicadores . El centelleador utilizado fue el desplazador de longitud de onda POPOP , que alcanza su máximo en la luz violeta.

${\displaystyle {\ce {\gamma _{511keV}\ +C24H16N2O2\to C24H16N2O2\ +A\gamma _{3eV}}}}$

La detección adicional del neutrón proveniente de la interacción del neutrino proporcionó una segunda capa de certeza. Cowan y Reines detectaron los neutrones disolviendo cloruro de cadmio (CdCl₂ ₎ en el tanque. El cadmio es un absorbente de neutrones altamente eficaz y emite un rayo gamma al absorber un neutrón.

n + ¹⁰⁸Cd → ^{109 m}Cd → ¹⁰⁹Cd + γ

El sistema estaba diseñado de tal manera que, tras un evento de interacción de neutrinos, se detectarían los dos rayos gamma procedentes de la aniquilación del positrón, seguidos, varios microsegundos después, por el rayo gamma procedente de la absorción del neutrón por el cadmio.

El experimento ideado por Cowan y Reines utilizó dos tanques con un total de aproximadamente 200 litros de agua y unos 40 kg de _CdCl₂  disuelto . Los tanques de agua estaban intercalados entre tres capas de centelleo que contenían 110 tubos fotomultiplicadores de cinco pulgadas (127 mm) . 

En 1953, Cowan y Reines construyeron un detector al que llamaron "Herr Auge", "Sr. Ojo" en alemán. Llamaron al experimento de búsqueda de neutrinos "Proyecto Poltergeist", debido a "la naturaleza fantasmal del neutrino". Se realizó un experimento preliminar en 1953 en el Sitio de Hanford en el estado de Washington , pero a finales de 1955 el experimento se trasladó a la Planta de Savannah River cerca de Aiken, Carolina del Sur . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} El sitio de Savannah River tenía mejor blindaje contra los rayos cósmicos . Esta ubicación blindada estaba a 11 m del reactor y a 12 m bajo tierra.

Tras meses de recolección de datos, el detector registraba aproximadamente tres interacciones de neutrinos por hora. Para asegurarse de que estaban detectando eventos de neutrinos según el esquema de detección descrito anteriormente, Cowan y Reines apagaron el reactor para demostrar que existía una diferencia en la tasa de eventos detectados.

Habían predicho que una sección transversal para la reacción sería de aproximadamente6 × 10 ⁻⁴⁴  cm ² y su sección transversal medida fue6,3 × 10 ⁻⁴⁴  cm ² . Los resultados se publicaron en el número del 20 de julio de 1956 de Science . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Clyde Cowan murió en 1974 a la edad de 54 años. En 1995, Frederick Reines fue galardonado con el Premio Nobel por su trabajo en física de neutrinos . ^{[ 7 ]}

La estrategia básica de emplear detectores masivos , a menudo basados ​​en agua, para la investigación de neutrinos fue aprovechada por varios experimentos posteriores, ^{[ 7 ]} incluyendo el detector Irvine-Michigan-Brookhaven , Kamiokande y experimentos posteriores, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury y el Experimento Homestake . El Experimento Homestake es un experimento contemporáneo que detectó neutrinos provenientes de la fusión nuclear en el núcleo solar. Observatorios como estos detectaron ráfagas de neutrinos de la supernova SN 1987A en 1987, el nacimiento de la astronomía de neutrinos . Mediante observaciones de neutrinos solares , el Observatorio de Neutrinos de Sudbury pudo demostrar el proceso de oscilación de neutrinos . La oscilación de neutrinos muestra que los neutrinos no carecen de masa, un desarrollo profundo en la física de partículas. ^{[ 16 ]}

• Lista de experimentos con neutrinos
• partículas subatómicas

• Experimento de neutrinos de Cowan y Reines
• Desintegración del neutrón
• Desintegración beta
• Neutrinos electrónicos y antineutrinos
• Experimentos de Cowan y Reines: Poltergeist, Hanford, río Savannah
• El neutrino con el Dr. Clyde L. Cowan (Conferencia sobre el experimento ganador del Premio Nobel)