Super-Kamiokande: cómo 50.000 toneladas de agua probaron que los neutrinos tienen masa

Un tanque de agua ultrapura bajo una montaña

Super-Kamiokande se encuentra en una mina de zinc activa bajo el monte Ikeno, en Hida, prefectura de Gifu. La roca que tiene encima mide un kilómetro de espesor, equivalente en blindaje a unos 2.700 metros de agua. Esa cobertura fue precisamente la razón de elegir el emplazamiento: absorbe casi todos los muones de los rayos cósmicos que de otro modo inundarían el detector, reduciendo la tasa en un factor de unas cien mil veces.

El detector es un cilindro de acero inoxidable de 39,3 metros de diámetro y 41,4 metros de altura, lleno con 50.000 toneladas de agua. La palabra ultrapura hace aquí un trabajo real. El agua se recircula y filtra de forma continua para eliminar gases disueltos, iones y, sobre todo, trazas de radón y uranio, porque la radiactividad natural en el agua produciría un fondo constante indistinguible de una señal de baja energía.

El tanque está dividido ópticamente en dos. Un detector interior alberga el volumen empleado en física, vigilado por unos 11.100 tubos fotomultiplicadores de 50 centímetros de diámetro: cerca del 40 por ciento de la pared interior es fotocátodo. A su alrededor, una capa exterior con 1.885 tubos más pequeños actúa como veto: lo que enciende primero la capa exterior vino de fuera y, por tanto, no es una interacción de neutrino que convenga conservar.

La instalación la opera el Institute for Cosmic Ray Research de la Universidad de Tokio. Su predecesor, Kamiokande, ocupó la misma mina y detectó una docena de neutrinos de la supernova 1987A, un resultado que dio a Masatoshi Koshiba parte del Nobel de 2002 y demostró que los neutrinos de supernova podían capturarse.

Por qué agua, y por qué tiene que estar tan limpia

El agua es un medio de detección poco vistoso con propiedades excelentes. Es lo bastante barata para comprar 50.000 toneladas, transparente a la luz azul a lo largo de decenas de metros una vez purificada, lo bastante densa para dar a los neutrinos algo con lo que chocar, y libre de la radiactividad intrínseca que lastra a muchos sólidos. Además, a diferencia del hielo antártico que emplea IceCube, es completamente uniforme: no hay capas de polvo que cartografiar ni estructura óptica congelada que modelar.

El intercambio también va en la otra dirección. El agua dispersa menos la luz que el hielo pero la absorbe más, lo que limita la separación posible entre sensores. Esa es una razón por la que los detectores de agua se miden en decenas de miles de toneladas y los de hielo en kilómetros cúbicos: los dos medios empujan la ingeniería en direcciones distintas, y la física alcanzable se deriva de ahí.

La pureza no es una tarea única. El agua circula sin interrupción por una planta de filtración y, aun así, la colaboración debe modelar cómo se filtra el radón desde la roca circundante y las paredes del tanque. La región superior del detector está de forma medible menos limpia que el centro, y por eso el volumen empleado en los análisis más sensibles es menor que el tanque: unas 22.500 toneladas en lugar de 50.000.

El resultado de tanto cuidado es un medio en el que una sola partícula cargada produce una señal que una persona podría, en principio, ver. Las fotografías del tanque vaciado, con técnicos en una lancha neumática inspeccionando la pared dorada de fotomultiplicadores, están entre las imágenes más reconocibles de la física precisamente porque la escala se vuelve tangible.

Leer un anillo de luz

Cuando un neutrino interactúa con un núcleo del agua produce una partícula cargada, normalmente un electrón o un muón, que se mueve más rápido de lo que la luz se mueve por el agua. Esa partícula emite un cono de radiación de Cherenkov, y donde el cono encuentra la pared del tanque, los tubos fotomultiplicadores registran un anillo.

El anillo es la medida. Su centro da la dirección de la partícula; su brillo total, la energía. Y, de forma decisiva, su nitidez identifica qué partícula lo produjo. Un muón es pesado y atraviesa el agua en línea recta, dejando un anillo limpio y bien definido. Un electrón es ligero, se dispersa repetidamente y desencadena una pequeña cascada electromagnética, de modo que su anillo sale difuso en los bordes.

Esa única distinción es lo que hizo posible el descubrimiento de 1998. Poder separar un suceso de electrón de uno de muón, de forma fiable y suceso a suceso, permitió a la colaboración contar los neutrinos muónicos por separado de los electrónicos y advertir que una población desaparecía mientras la otra no.

La técnica tiene límites que conviene conocer. Super-Kamiokande no ve partículas neutras, no determina el signo de la carga y su umbral de energía se sitúa en unos pocos MeV, fijado por el fondo radiactivo y no por la óptica. Esas restricciones definen qué preguntas puede responder, y son la razón de que distintos observatorios de neutrinos se construyan en torno a tecnologías distintas.

El instrumento en cifras

Las cifras siguientes describen el detector en su configuración actual. Funciona, con dos interrupciones importantes, desde el 1 de abril de 1996: cerca de tres décadas de operación continuada.

• Ubicación: mina de Kamioka, Hida, prefectura de Gifu, Japón, a 1.000 metros de profundidad (unos 2.700 metros equivalentes de agua)
• Tanque: cilindro de acero inoxidable de 39,3 metros de diámetro por 41,4 de altura
• Medio: 50.000 toneladas de agua ultrapura; unas 22.500 toneladas como volumen de análisis
• Detector interior: unos 11.100 fotomultiplicadores de 50 centímetros de diámetro, con cerca del 40 por ciento de cobertura de fotocátodo
• Detector exterior: 1.885 fotomultiplicadores de 20 centímetros, usados como veto de rayos cósmicos
• En funcionamiento desde: 1 de abril de 1996, operado por el Institute for Cosmic Ray Research de la Universidad de Tokio
• Rango de energía: desde unos pocos MeV para neutrinos solares hasta el rango atmosférico de varios GeV
• Desde 2020: con sulfato de gadolinio disuelto para hacer visible la captura de neutrones

1998: el resultado que cambió el Modelo Estándar

Los rayos cósmicos que golpean la alta atmósfera producen cascadas que contienen neutrinos muónicos y electrónicos en una proporción que la teoría predice con bastante precisión: unos dos neutrinos muónicos por cada electrónico. Super-Kamiokande los contó y encontró un déficit de neutrinos muónicos. Eso por sí solo no era nuevo; experimentos anteriores ya lo habían insinuado.

Lo que Super-Kamiokande añadió fue la dirección. Como podía reconstruir de dónde venía cada neutrino, pudo comparar los producidos sobre su vertical, que habían recorrido unos 15 kilómetros, con los producidos al otro lado del planeta, que habían recorrido unos 13.000. La población cenital era la esperada. La que había cruzado la Tierra estaba mermada aproximadamente a la mitad.

La variable era la distancia. Los neutrinos no eran absorbidos por la Tierra: cambiaban de identidad por el camino, y cuanto más lejos viajaban, más de ellos habían cambiado. Eso es la oscilación de neutrinos, y la mecánica cuántica solo la permite si los distintos tipos de neutrino tienen masas distintas, lo que exige que al menos dos de ellos tengan masa.

El Modelo Estándar tal como estaba escrito no lo permitía. El resultado de 1998 fue, por tanto, la primera prueba de laboratorio de física más allá de él, y sigue siendo una de las poquísimas que existen. Takaaki Kajita recibió por ello la mitad del Nobel de Física de 2015; la otra mitad fue para Arthur McDonald, del Observatorio de Neutrinos de Sudbury, cuya medida de neutrinos solares cerró el argumento por el otro lado.

Noviembre de 2001: perder dos tercios del detector en segundos

El 12 de noviembre de 2001, mientras se rellenaba el tanque tras un mantenimiento, un fotomultiplicador del fondo implosionó. Cada tubo es un bulbo de vidrio al vacío de medio metro de diámetro, y a esa profundidad la presión del agua circundante es considerable. La implosión envió una onda de choque a través del agua que destrozó a sus vecinos, cuyas implosiones destrozaron a los suyos.

La reacción en cadena duró cuestión de segundos y destruyó unos 6.600 de los aproximadamente 11.100 tubos interiores, cerca de dos tercios del detector. Nadie resultó herido. La causa no fue un error de diseño en ningún componente aislado, sino no haber previsto que los componentes podían destruirse entre sí de forma colectiva.

La colaboración reconstruyó. Los tubos supervivientes se redistribuyeron para dar una cobertura uniforme aunque más delgada, y Super-Kamiokande-II reanudó la toma de datos en 2002 con cerca de la mitad de su antigua superficie de fotocátodo: degradado, pero midiendo. La cobertura completa se restauró en 2006. Hoy cada tubo va dentro de una carcasa de acrílico reforzado con fibra, diseñada para contener una implosión en lugar de propagarla.

El episodio merece registrarse porque es un caso raro y bien documentado de fallo en cascada en un instrumento científico, y porque la respuesta, reconstruir con capacidad reducida en vez de apagar y esperar, mantuvo en calendario una década de física.

Qué más hace Super-Kamiokande

Es el detector lejano de T2K, un experimento que dispara un haz de neutrinos muónicos desde el complejo acelerador J-PARC, a 295 kilómetros, en la costa este de Japón. Como la composición y el momento del haz se conocen con exactitud, comparar lo que llega con lo que se envió da una medida de oscilación controlada, y T2K la ha usado para buscar diferencias entre neutrinos y antineutrinos, una de las vías hacia la pregunta de por qué el universo contiene materia y no nada.

Fija los límites más estrictos del mundo sobre la desintegración del protón. Las teorías de gran unificación predicen que el protón no es perfectamente estable; Super-Kamiokande ha vigilado durante décadas un número inmenso de protones sin ver ninguna desintegración, lo que empuja la vida media parcial del canal favorecido más allá de 10^34 años. Es un resultado nulo, y ha descartado familias enteras de modelos teóricos.

Mide neutrinos solares en tiempo real y con dirección, confirmando que proceden del Sol y siguiendo el flujo de forma continua. Y está preparado para la próxima supernova galáctica como parte de la red internacional de alerta temprana, donde su capacidad de reconstruir la dirección podría decir a los astrónomos hacia dónde mirar antes de que llegue la luz.

Desde 2020 el agua lleva gadolinio disuelto, primero al 0,01 por ciento y después en mayor proporción. El gadolinio captura neutrones libres y emite una cascada gamma característica, lo que permite al detector etiquetar el neutrón que acompaña a la interacción de un antineutrino electrónico. Esa mejora afina la búsqueda del fondo difuso de neutrinos de supernova, el tenue resplandor acumulado de todas las supernovas de colapso de núcleo de la historia del universo, que nunca se ha detectado.

Lo que Super-Kamiokande no demuestra

El resultado de 1998 estableció que los neutrinos tienen masa. No estableció cuánta. Los experimentos de oscilación son sensibles a las diferencias entre masas al cuadrado, no a las masas en sí, de modo que no pueden decir si el neutrino más ligero pesa algo o nada. Responder a eso exige un tipo de experimento completamente distinto, y por eso existen medidas directas junto al programa de oscilaciones.

Tampoco la escala del detector implica que las interacciones de neutrinos sean abundantes. La inferencia correcta es la contraria: 50.000 toneladas de agua vigiladas sin interrupción durante casi treinta años es lo que cuesta acumular una muestra estadísticamente útil. El instrumento es un monumento a lo débilmente que estas partículas se acoplan a la materia.

Esa distinción importa cuando se cita a Super-Kamiokande en debates sobre energía. El resultado premiado con el Nobel trata de las propiedades del neutrino, que tiene masa y cambia de tipo, y no de extraer trabajo de él. La investigación neutrinovoltaica plantea otra pregunta: si el flujo persistente de radiación ambiental y fluctuaciones térmicas en la superficie de un material puede impulsar una corriente medible en una multicapa diseñada. Super-Kamiokande ni lo apoya ni lo refuta; sencillamente no es el experimento que aborda esa cuestión.

Lo que sí aporta es el cimiento sobre el que se sostiene todo el campo. Antes de 1998 el neutrino era una partícula sin masa y sin estructura interna digna de mención. Después de 1998 pasó a ser la única grieta confirmada del Modelo Estándar, y la razón por la que se financió buena parte de la física posterior.

Hyper-Kamiokande y lo que viene

El sucesor se está construyendo en la misma cordillera. Hyper-Kamiokande contendrá unas 260.000 toneladas de agua, alrededor de cinco veces la masa de Super-Kamiokande, con un volumen de análisis unas ocho veces mayor, y se espera que entre en funcionamiento hacia el final de esta década.

El objetivo principal es la violación de CP leptónica, una posible diferencia en cómo oscilan neutrinos y antineutrinos. Si esa diferencia existe y es lo bastante grande para medirse, sería una candidata seria a explicar la asimetría entre materia y antimateria del universo, y es el tipo de medida que necesita una muestra mucho mayor de la que T2K puede acumular.

Hyper-Kamiokande también ampliará en aproximadamente un orden de magnitud la búsqueda de la desintegración del protón, y recogería decenas de miles de neutrinos de una supernova galáctica en lugar de la docena que registró Kamiokande en 1987: suficientes para seguir en tiempo real el colapso del núcleo de una estrella.

Se prevé que Super-Kamiokande siga funcionando en paralelo durante un tiempo. Entre ambos, y con las tecnologías distintas que emplean IceCube y los demás grandes detectores, el campo está dispuesto de modo que los errores sistemáticos de un solo instrumento no puedan determinar la respuesta en silencio. Esa redundancia es deliberada, y explica en buena parte por qué el resultado de 1998 se ha sostenido durante más de un cuarto de siglo.