Arthur McDonald: contar los neutrinos que nadie podía detectar
Todos los experimentos de neutrinos solares anteriores a Sudbury solo veían neutrinos electrónicos, de modo que ninguno podía distinguir entre neutrinos que desaparecían y neutrinos que se convertían en algo invisible para el detector. El diseño que dirigió McDonald lo resolvió midiendo ambas magnitudes en el mismo tanque y al mismo tiempo, y por eso el resultado fue decisivo y no meramente sugerente.
El problema de diseño
Raymond Davis había hallado un tercio de los neutrinos solares previstos en 1968, y el déficit llevaba tres décadas sin explicación. La dificultad era estructural: los detectores de cloro, galio y Cherenkov de agua respondían predominantemente a neutrinos electrónicos, así que un déficit era igual de compatible con que los neutrinos nunca se hubieran producido y con que se hubieran convertido en algo que el detector no registra.
Distinguir ambas cosas exige contar los invisibles, lo que suena imposible y no lo es. El agua corriente contiene hidrógeno, cuyo núcleo es un solo protón. El agua pesada contiene deuterio, un protón unido a un neutrón, y ese neutrón adicional habilita una segunda reacción: una que rompe el deuterón y que provocan por igual los tres tipos de neutrino.
Un detector de agua pesada produce así dos recuentos independientes del mismo flujo y al mismo tiempo: cuántos neutrinos electrónicos llegaron y cuántos neutrinos llegaron en total. La comparación entre ambos es la medida, y no hace falta ninguna hipótesis sobre el Sol para realizarla.
Un tercer canal, la dispersión elástica con electrones, se sitúa entre los dos y aporta una comprobación cruzada. Juntos convierten una sola cifra ambigua en un conjunto internamente coherente.
La construcción
El agua pesada no se compró. Mil toneladas, con un valor de varios cientos de millones de dólares canadienses, se tomaron prestadas de la reserva nacional destinada a reactores nucleares, se usaron siete años y se devolvieron.
Se alojaba en un recipiente transparente de acrílico de doce metros de diámetro, suspendido dentro de una caverna en forma de barril con 7.000 toneladas de agua ligera ultrapura, vigilado por unos 9.600 fotomultiplicadores, en el nivel de 6.800 pies de una mina de níquel activa cerca de Sudbury: unos 2.070 metros de roca encima, más profundo que cualquier detector comparable de su época.
La disciplina frente a la contaminación era extrema, porque una traza de uranio o torio en el acrílico o en el agua produce neutrones indistinguibles de la señal ciega al sabor de la que dependía todo el experimento.
La colaboración trabajó en tres fases, cada una con un método distinto para detectar esos neutrones: agua pesada sola, después con sal disuelta para mejorar la captura, y por último con detectores de neutrones dedicados. Tres métodos independientes, tres respuestas coherentes: una decisión de diseño deliberada y no una ocurrencia posterior.
El resultado
Publicada en 2001 y confirmada en 2002, la aritmética era insólitamente limpia. El canal ciego al sabor midió un flujo solar total que coincidía estrechamente con el modelo solar estándar. El canal exclusivo de neutrinos electrónicos midió aproximadamente un tercio.
Los neutrinos llegaban todos. Dos tercios simplemente habían dejado de ser electrónicos en algún punto entre el núcleo del Sol y Ontario. El modelo solar era correcto, la química de Davis era correcta, y el ingrediente que faltaba era la oscilación, que exige que los neutrinos tengan masa.
Takaaki Kajita había llegado a la misma conclusión desde otra dirección tres años antes, con neutrinos atmosféricos y la distancia recorrida a través de la Tierra. Dos experimentos, fuentes distintas, tecnologías distintas, errores sistemáticos distintos, una respuesta.
Esa convergencia explica que la conclusión se aceptara rápido y no se haya cuestionado en serio desde entonces. Es también el criterio que conviene llevarse: una medida se convierte en descubrimiento cuando un experimento independiente que podría haberla contradicho no lo hace.
Desde entonces
McDonald es catedrático emérito en la Queen's University de Kingston, Ontario. El emplazamiento se convirtió en SNOLAB, una instalación subterránea ampliada que alberga búsquedas de materia oscura y otros experimentos, y el propio SNO se transformó en SNO+ sustituyendo el agua pesada por centellador líquido para buscar el doble decaimiento beta sin neutrinos.
El resultado dejó abierta la masa absoluta del neutrino, ya que la oscilación mide diferencias entre masas al cuadrado y no las masas en sí. Esa pregunta pasó a experimentos de medida directa como KATRIN.
Lo que Sudbury zanjó fue el problema de los neutrinos solares, de treinta años, y lo zanjó de un modo que reivindicó a todos: a los astrofísicos que modelaron el Sol, al químico que contó los átomos de argón y a los teóricos que habían propuesto la oscilación décadas antes y esperaron.
Preguntas frecuentes
¿Qué hacía distinto al experimento de Sudbury?
El agua pesada. El neutrón adicional del deuterio permite una reacción que responde por igual a los tres tipos de neutrino, junto a otra sensible solo a los electrónicos. Un detector podía así contar ambos de forma independiente.
¿De dónde salieron mil toneladas de agua pesada?
De la reserva nacional canadiense destinada a reactores nucleares, con un valor de varios cientos de millones de dólares canadienses, prestadas durante siete años y devueltas. Comprar esa cantidad no era realista.
¿Qué mostró el resultado?
Que el flujo total de los tres tipos de neutrino procedente del Sol coincidía con el modelo solar estándar, mientras la componente electrónica era un tercio. Los neutrinos que faltaban habían cambiado de tipo, no desaparecido.
¿Cómo se relaciona con el resultado de Kajita?
Ambos concluyeron que los neutrinos oscilan. Kajita usó neutrinos atmosféricos y distancia recorrida; Sudbury, neutrinos solares y composición de sabores. La independencia de ambos explica que la conclusión se sostuviera, y compartieron el Nobel de 2015.
¿Qué fue del detector?
El emplazamiento se convirtió en SNOLAB, un laboratorio subterráneo ampliado. El propio SNO se transformó en SNO+ sustituyendo el agua pesada por centellador líquido, para buscar el doble decaimiento beta sin neutrinos.
