Masatoshi Koshiba: once neutrinos en trece segundos
Kamiokande no se construyó para observar supernovas. Se construyó para vigilar protones que se desintegran, una predicción de las teorías de gran unificación que nunca se ha visto. Lo que hizo Koshiba fue reconocer que el mismo tanque de agua, con mejor electrónica, también podía registrar neutrinos a energías varias veces menores, y terminar esa mejora dos meses antes de la única supernova cercana en cuatro siglos.
Un detector construido para otra cosa
A finales de los años setenta varias teorías de gran unificación predijeron que el protón no es perfectamente estable. De ser cierto, una masa de materia suficientemente grande vigilada el tiempo suficiente debería mostrar una desintegración. Kamiokande se construyó en la mina de Kamioka, en Japón, exactamente para eso, y su nombre era un acrónimo de experimento de desintegración de nucleones.
No se vio ninguna desintegración del protón, ni entonces ni después, y los límites solo se han estrechado. Como búsqueda de su objetivo previsto, el experimento fracasó, y conviene decirlo con claridad, porque el mismo instrumento produjo después dos resultados que importaron más.
Koshiba reconoció que un detector Cherenkov de agua podía reconvertirse. La desintegración del protón produce un suceso grande e inconfundible; los neutrinos del Sol o de una supernova producen otros mucho menores. Verlos exigía rebajar el umbral de energía, lo que significaba mejores fotomultiplicadores, mejor electrónica y un control mucho más estricto del fondo radiactivo.
Esa mejora, Kamiokande-II, se completó en diciembre de 1986.
23 de febrero de 1987
Una supergigante azul de la Gran Nube de Magallanes, a unos 168.000 años luz, colapsó y explotó. La luz tardó horas en emerger de las capas externas de la estrella. Los neutrinos, producidos en el núcleo en colapso, salieron de inmediato y llegaron primero.
Kamiokande-II registró once sucesos de neutrinos en unos trece segundos. El detector IMB, en Ohio, registró ocho, y el observatorio de Baksan, en la Unión Soviética, cinco. Tres detectores independientes en dos continentes vieron el mismo estallido con segundos de diferencia, y eso lo hizo indiscutible.
Veinticuatro sucesos son pocos, y confirmaron muchísimo. La teoría predecía que una supernova de colapso de núcleo libera la inmensa mayoría de su energía como neutrinos y no como luz, que el estallido dura segundos y que precede a la explosión visible. Las tres cosas se confirmaron a la vez.
Fue además el nacimiento de la astronomía de neutrinos en sentido literal: la primera detección de neutrinos de un objeto astronómico identificado fuera del sistema solar. Todo lo que hace IceCube se remonta a la demostración de que eso es posible.
Lo que vino después
Kamiokande confirmó a continuación el déficit de neutrinos solares que había comunicado Raymond Davis, con una técnica completamente distinta y con información direccional que mostraba que los neutrinos venían del Sol. Que dos métodos independientes hallaran el mismo faltante hizo mucho más difícil culpar a ninguno de los experimentos.
Su sucesor, Super-Kamiokande, se construyó en el mismo emplazamiento con unas veinte veces más masa y empezó a operar en 1996. Dos años después produjo el resultado sobre oscilación de 1998.
Koshiba compartió el Nobel de Física de 2002 con Davis y con Riccardo Giacconi, por astronomía de rayos X. Permaneció en la Universidad de Tokio y murió en 2020 a los 94 años.
Hay una lección sencilla en esa secuencia. Un experimento construido con un fin, que fracasó en ese fin, produjo una observación de supernova y una confirmación de los neutrinos solares porque alguien reconoció qué más podía hacer el aparato. Los instrumentos son más generales que las propuestas que los financian.
Preguntas frecuentes
¿Para qué se construyó Kamiokande originalmente?
Para buscar la desintegración del protón, predicha por las teorías de gran unificación. Nunca se observó, ni entonces ni después. Koshiba dirigió una mejora que rebajó el umbral de energía para que el mismo tanque pudiera detectar neutrinos.
¿Cuántos neutrinos se detectaron de la supernova 1987A?
Kamiokande-II registró once en unos trece segundos. El detector IMB registró ocho y Baksan cinco, veinticuatro sucesos en tres detectores independientes con segundos de diferencia.
¿Por qué importa una cifra tan pequeña?
Porque confirmó tres predicciones a la vez: que una supernova de colapso libera la mayor parte de su energía como neutrinos y no como luz, que el estallido dura segundos y que llega antes que la explosión visible.
¿Qué tan ajustado fue el momento?
La mejora que hizo posible la detección se completó en diciembre de 1986. La supernova se observó el 23 de febrero de 1987, unos dos meses después.
¿Por qué recibió el Nobel?
Por contribuciones pioneras a la astrofísica, en particular la detección de neutrinos cósmicos. Compartió el premio de 2002 con Raymond Davis Jr. y Riccardo Giacconi.
