El Observatorio de Neutrinos de Sudbury: contar los neutrinos que nadie veía

Por qué el agua pesada era toda la idea

El agua corriente contiene hidrógeno, cuyo núcleo es un único protón. El agua pesada contiene deuterio, cuyo núcleo es un protón unido a un neutrón. Ese neutrón de más es lo que distinguió a SNO de todos los experimentos solares anteriores.

Un deuterón puede romperse por cualquiera de los tres tipos de neutrino, mediante una reacción a la que el sabor le resulta indiferente. También puede sufrir una reacción que solo los neutrinos electrónicos son capaces de provocar. Así, un único detector en funcionamiento continuo producía dos recuentos independientes del mismo flujo: cuántos neutrinos electrónicos llegaban y cuántos neutrinos llegaban en total.

Un tercer canal, la dispersión elástica con electrones, responde sobre todo, aunque no en exclusiva, a los neutrinos electrónicos, y ofrece una comprobación intermedia. Los experimentos anteriores, incluido Super-Kamiokande, solo disponían de un canal de ese tipo, y por eso podían establecer un déficit pero no su causa.

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. No había otra forma de conseguir esa cantidad.

Dos kilómetros abajo y excepcionalmente limpio

El detector estaba en el nivel de 6.800 pies de una mina de níquel activa, unos 2.070 metros bajo la superficie: cerca de 6.000 metros equivalentes de agua en blindaje, más profundo que cualquier detector comparable de su época. Físicos y equipos de obra llegaban en la jaula de los mineros y después caminando más de un kilómetro.

El agua pesada se alojaba en un recipiente transparente de acrílico de 12 metros de diámetro, suspendido a su vez dentro de una caverna en forma de barril con 7.000 toneladas de agua ligera ultrapura. Unos 9.600 tubos fotomultiplicadores sobre una estructura geodésica vigilaban el volumen interior en busca de luz Cherenkov.

La disciplina frente a la contaminación fue severa. Cada componente se limpió con criterios más cercanos a la fabricación de semiconductores que a la minería, porque una traza de uranio o torio en el acrílico o en el agua habría producido neutrones indistinguibles de la señal ciega al sabor de la que dependía el experimento.

El experimento funcionó en tres fases, cada una con un método distinto para detectar los neutrones liberados al romperse un deuterón: primero agua pesada sola, después con sal disuelta para mejorar la captura de neutrones y por último con detectores de neutrones específicos. Tres métodos independientes, tres respuestas coherentes.

El observatorio en cifras

SNO tomó datos de 1999 a 2006. El emplazamiento es hoy SNOLAB, una instalación subterránea ampliada que alberga varios experimentos.

• Ubicación: mina Creighton, Sudbury, Ontario, Canadá, a unos 2.070 metros bajo tierra
• Blanco: 1.000 toneladas de agua pesada prestadas por Atomic Energy of Canada Limited
• Recipiente: esfera de acrílico de 12 metros de diámetro, rodeada de 7.000 toneladas de agua ligera ultrapura
• Fotosensores: aproximadamente 9.600 tubos fotomultiplicadores
• Canales: corriente cargada (solo neutrinos electrónicos), corriente neutra (los tres tipos), dispersión elástica
• Periodo de operación: de 1999 a 2006, en tres fases con métodos distintos de detección de neutrones
• Reconocimiento: Arthur McDonald, Nobel de Física 2015, compartido con Takaaki Kajita

Cómo se cerró el enigma

El resultado, publicado en 2001 y confirmado en 2002, fue una aritmética de una claridad poco común. El canal ciego al sabor midió un flujo total de neutrinos procedente del Sol que coincidía estrechamente con el modelo solar estándar. El canal exclusivo de neutrinos electrónicos midió aproximadamente un tercio de esa cifra.

Los neutrinos, por tanto, llegaban todos. Dos tercios simplemente habían dejado de ser neutrinos electrónicos en algún punto entre el núcleo del Sol y Ontario. Los modelos solares habían tenido razón todo el tiempo, y Raymond Davis Jr., cuyo experimento de cloro halló el déficit en los años sesenta, había estado midiendo algo real.

Esto es la oscilación de neutrinos, y exige que los neutrinos tengan masa. Super-Kamiokande había llegado a la misma conclusión en 1998 desde otra dirección, con neutrinos atmosféricos y la distancia recorrida a través de la Tierra. Dos experimentos, fuentes distintas, tecnologías distintas, errores sistemáticos distintos, una sola respuesta.

Esa convergencia explica que el resultado se aceptara rápido y no se haya cuestionado en serio desde entonces. También es un criterio útil para otras afirmaciones: una medida se convierte en descubrimiento cuando un experimento independiente que podría haberla contradicho no lo hace.

Lo que SNO no estableció

No midió las masas de los neutrinos, solo demostró que al menos dos son distintas de cero. La escala absoluta quedó abierta, y es la pregunta que KATRIN se construyó después para atacar directamente.

Tampoco dijo, ni podía decir, nada sobre extraer energía utilizable del flujo de neutrinos solares. La escala del experimento lo deja claro: mil toneladas de agua pesada prestada, dos kilómetros de roca encima, siete años de operación, para contar unos pocos miles de interacciones en total.

Esa cifra merece mencionarse siempre que se invoque la abundancia de neutrinos solares. Unos 65.000 millones atraviesan cada centímetro cuadrado de la Tierra cada segundo, y SNO, construido a propósito, exquisitamente blindado y con el blanco más reactivo disponible en la práctica, registraba unos pocos al día. El flujo es enorme y el acoplamiento despreciable, y ambas cosas son ciertas a la vez.

La pregunta distinta que aborda la investigación neutrinovoltaica se refiere a la radiación ambiental y las fluctuaciones térmicas en la superficie de un material diseñado, no a capturar neutrinos solares. SNO habla de lo segundo y no de lo primero.