Un pequeño detector observa elusivas interacciones de neutrinos con la materia

  • Los neutrinos son un desafío para estudiar porque sus interacciones con la materia son tan raras. Particularmente esquivo ha sido lo que se conoce como dispersión elástica de núcleo-neutrino coherente, que ocurre cuando un neutrino se desprende del núcleo de un átomo.

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Un equipo de físicos liderado por la Universidad de Chicago ha construído el detector de neutrinos más pequeño del mundo, para observar su elusiva interacción con la materia por primera vez.

Este hito se ha producido 43 años después de que un físico de Fermilab predijera una nueva forma para que esas partículas fantasmales interactuasen con la materia.

Los neutrinos son un desafío para estudiar porque sus interacciones con la materia son tan raras. Particularmente esquivo ha sido lo que se conoce como dispersión elástica de núcleo-neutrino coherente, que ocurre cuando un neutrino se desprende del núcleo de un átomo.

La colaboración COHERENT internacional, que incluye a físicos en la Universidad de Chicago, detectó el proceso de dispersión mediante el uso de un detector que es pequeño y lo suficientemente ligero como para que un investigador pueda llevarlo consigo. Sus hallazgos, que confirman la teoría de Daniel Freedman, del Fermilab, se publican ahora en Science.

"¿Por qué tomó 43 años observar esta interacción?" se pregunta el coautor Juan Collar, profesor de Física en la Universidad de Chicago. "Lo que ocurre es muy sutil. Freedman no vio mucha oportunidad de confirmación experimental, escribiendo en ese momento: Nuestra sugerencia puede ser un acto de arrogancia, porque las inevitables limitaciones de la tasa de interacción, la resolución y el fondo plantean serias dificultades experimentales".

Cuando un neutrino choca con el núcleo de un átomo, crea un retroceso pequeño, apenas medible. La fabricación de un detector de elementos pesados como el yodo, el cesio o el xenón aumenta dramáticamente la probabilidad para este nuevo modo de la interacción del neutrino, comparada con otros procesos. Pero hay una compensación, ya que los diminutos retrocesos nucleares que resultan se vuelven más difíciles de detectar a medida que el núcleo crece más.

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"Imagina que tus neutrinos son pelotas de ping-pong golpeando una bola de bolos, que van a impartir sólo un pequeño impulso extra a esta bola de bolos", dijo Collar en un comunicado.

Para detectar ese pequeño retroceso, Collar y sus colegas descubrieron que un cristal de yoduro de cesio dopado con sodio era el material perfecto. El descubrimiento llevó a los científicos a deshacerse de los detectores pesados y gigantescos comunes en la investigación de neutrinos para fabricar uno similar en tamaño a una tostadora.

El detector, de 10 por 33 centímetros, utilizado para producir los resultados pesa sólo 14,5 kilos. En comparación, los observatorios de neutrinos más famosos del mundo están equipados con miles de toneladas de material detector.

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