Reines y Cowan: Proyecto Poltergeist
Entre la propuesta del neutrino por Pauli y su primera captura pasaron veintiséis años. La razón no fue falta de interés sino aritmética: la interacción es tan débil que cualquier estimación sensata del aparato necesario salía absurda. La aportación de Reines y Cowan fue advertir que, si no puedes mejorar las probabilidades por neutrino, puedes aportar una cantidad enorme de neutrinos y buscar una firma que nada más pueda imitar.
La propuesta de la bomba
El problema en 1951 era el flujo. Detectar un neutrino exige que un número enorme llegue a un blanco, y las únicas fuentes disponibles eran nucleares. El primer plan concreto de Reines y Cowan consistía en suspender un detector en un pozo cerca de una prueba nuclear atmosférica, soltarlo en caída libre en el momento de la detonación para que no sufriera vibración y recuperarlo después entre los escombros.
El plan era serio, estaba desarrollado en detalle y fue aprobado. Merece registrarse lo extraño que resulta, y también que era una respuesta razonable a las cifras. Una bomba produce un estallido breve y colosal de antineutrinos, y un estallido breve tiene la ventaja de que todo lo que no esté sincronizado con él puede ignorarse.
Lo abandonaron al comprender que un reactor nuclear entrega un flujo continuo que, integrado a lo largo de meses de operación, supera lo que entrega una sola detonación, y lo hace sin exigir que el detector sobreviva a una explosión nuclear.
El episodio recuerda con utilidad que la historia de la física contiene muchos planes descartados que no eran estúpidos, solo superados.
La firma
La reacción que buscaban es el decaimiento beta inverso: un antineutrino golpea un protón y produce un neutrón y un positrón. Lo identificable no es ninguno de los productos por separado, sino la secuencia.
El positrón se aniquila casi de inmediato con un electrón, produciendo dos rayos gamma de energía precisa que salen en direcciones opuestas. El neutrón vaga unos microsegundos, frenándose, hasta que lo captura un núcleo de cadmio, que a su vez emite sus propios rayos gamma característicos.
El detector ve entonces un destello y, unos microsegundos después, un segundo destello, con energías concretas. El fondo aleatorio produce destellos constantemente, pero producir ese par exacto en ese intervalo exacto por azar es enormemente improbable. La coincidencia retardada es la huella dactilar.
El aparato era en consecuencia conceptualmente simple: tanques de agua con cloruro de cadmio disuelto, intercalados entre tanques de centellador líquido vigilados por tubos fotomultiplicadores. El principio de diseño sobrevive casi intacto en los experimentos modernos de neutrinos de reactor.
1953, 1956 y el telegrama
Una primera tanda en el emplazamiento de Hanford, en 1953, produjo una señal poco convincente. El fondo de rayos cósmicos era demasiado alto y el resultado no podía separarse con limpieza. Reconstruyeron con mejor blindaje y se trasladaron a la planta de Savannah River, donde el detector pudo situarse doce metros bajo tierra y a once metros del núcleo del reactor.
La tanda de 1956 funcionó. La señal aparecía cuando el reactor estaba en marcha y desaparecía cuando se apagaba, que era el control que más importaba.
El 14 de junio de 1956 enviaron a Pauli un telegrama informándole de que su partícula había sido detectada de forma definitiva. Pauli, entonces en Zúrich, respondió que todo llega a quien sabe esperar. Murió dos años después.
El Nobel por ese trabajo se concedió en 1995, treinta y nueve años más tarde. Lo recibió Reines. Cowan había muerto en 1974, y el premio no se concede a título póstumo: uno de varios casos en que la regla ha producido un resultado que nadie defiende por su fondo.
Qué estableció
El resultado inmediato fue que el neutrino existía como partícula y no como recurso contable. Esa distinción había estado genuinamente abierta durante un cuarto de siglo.
El método importó tanto como el hallazgo. La coincidencia retardada sigue siendo la técnica estándar para detectar antineutrinos de reactor, y la disposición básica de blanco, centellador y fotomultiplicadores es reconocible en Borexino, JUNO y todos los experimentos de esa familia.
También fijó la escala del problema para todos los que siguieron. Reines y Cowan registraban unos tres sucesos por hora con un reactor a once metros. Todo experimento posterior, de Homestake a IceCube, ha sido una discusión sobre cómo obtener un número útil de sucesos de un flujo que rinde tan poco.
Reines siguió trabajando en neutrinos el resto de su carrera y participó en la detección de los neutrinos de la supernova 1987A, treinta y un años después de la primera detección.
Preguntas frecuentes
¿Cómo detectaron una partícula que Pauli llamó indetectable?
Usando un flujo enorme de un reactor nuclear y buscando una firma que nada más produce: una aniquilación de positrón seguida unos microsegundos después por una captura de neutrón, ambas a energías concretas.
¿De verdad planearon usar una bomba nuclear?
Sí. Su primer plan aprobado era dejar caer un detector por un pozo cerca de una prueba atmosférica para que cayera libremente durante la detonación. Lo abandonaron al comprender que un reactor entrega más flujo integrado a lo largo de meses.
¿Qué decía el telegrama?
El 14 de junio de 1956 telegrafiaron a Wolfgang Pauli que su partícula había sido detectada de forma definitiva. Pauli respondió que todo llega a quien sabe esperar.
¿Por qué solo Reines recibió el Nobel?
Porque se concedió en 1995 y Clyde Cowan había muerto en 1974. El Nobel no se concede a título póstumo.
¿Se sigue usando el método?
Sí. La coincidencia retardada sigue siendo la técnica estándar para detectar antineutrinos de reactor, y la disposición de blanco, centellador y fotomultiplicadores es reconocible en los detectores modernos.
