Experimento de neutrinos de Cowan-Reines

El experimento de neutrinos de Cowan-Reines fue realizado por los físicos Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956. El experimento confirmó la existencia de neutrinos . Los neutrinos, partículas subatómicas sin carga eléctrica y con una masa muy pequeña, habían sido considerados una partícula esencial en los procesos de desintegración beta en la década de 1930. Sin masa ni carga, estas partículas parecían imposibles de detectar. El experimento explotó un enorme flujo de antineutrinos electrónicos (entonces hipotéticos) que emanaban de un reactor nuclear cercano y un detector que consistía en grandes tanques de agua. Se observaron interacciones de neutrinos con los protones del agua, verificando por primera vez la existencia y las propiedades básicas de esta partícula.

Durante las décadas de 1910 y 1920, las observaciones de electrones de la desintegración beta nuclear mostraron que su energía tenía una distribución continua. Si el proceso involucrara solo el núcleo atómico y el electrón, la energía del electrón tendría un único pico estrecho, en lugar de un espectro de energía continuo. Solo se observó el electrón resultante, por lo que su energía variable sugirió que la energía podría no conservarse. ^[1] Este dilema y otros factores llevaron a Wolfgang Pauli a intentar resolver el problema postulando la existencia del neutrino en 1930. Si se debía preservar el principio fundamental de conservación de la energía , la desintegración beta tenía que ser una desintegración de tres cuerpos, en lugar de dos. Por lo tanto, además de un electrón, Pauli sugirió que otra partícula se emitía desde el núcleo atómico en la desintegración beta. Esta partícula, el neutrino, tenía una masa muy pequeña y no carga eléctrica; no se observó, pero transportaba la energía faltante.

La sugerencia de Pauli fue desarrollada en una teoría propuesta para la desintegración beta por Enrico Fermi en 1933. ^{[2] [3]} La teoría postula que el proceso de desintegración beta consiste en cuatro fermiones que interactúan directamente entre sí. Mediante esta interacción, el neutrón se desintegra directamente en un electrón , el supuesto neutrino (que más tarde se determinó que era un antineutrino ) y un protón . ^[4] La teoría, que resultó ser notablemente exitosa, se basó en la existencia del hipotético neutrino. Fermi presentó primero su teoría "tentativa" de la desintegración beta a la revista Nature , que la rechazó "porque contenía especulaciones demasiado alejadas de la realidad para ser de interés para el lector " . ^[5]

Un problema con la conjetura del neutrino y la teoría de Fermi era que el neutrino parecía tener interacciones tan débiles con otra materia que nunca sería observado. En un artículo de 1934, Rudolf Peierls y Hans Bethe calcularon que los neutrinos podrían atravesar fácilmente la Tierra sin interactuar con ninguna materia. ^{[6] [7]}

Por desintegración beta inversa , el neutrino predicho, más correctamente un antineutrino electrónico ( ), debería interactuar con un protón (${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$
pag
) para producir un neutrón (
norte
) y positrón ( ),${\displaystyle e^{+}}$

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to n+e^{+}}$

La probabilidad de que esta reacción ocurriera era pequeña. La probabilidad de que ocurriera cualquier reacción dada es proporcional a su sección transversal . Cowan y Reines predijeron que la sección transversal de la reacción sería de aproximadamente6 × 10 ⁻⁴⁴  cm ² . La unidad habitual para una sección transversal en física nuclear es un granero , que es1 × 10 ⁻²⁴  cm ² y 20 órdenes de magnitudes más grandes.

A pesar de la baja probabilidad de interacción de neutrinos, las características de la interacción son únicas, lo que hace posible la detección de interacciones poco frecuentes. El positrón , la contraparte de antimateria del electrón , interactúa rápidamente con cualquier electrón cercano y se aniquilan entre sí. Los dos rayos gamma coincidentes resultantes (
gamma
) son detectables. El neutrón puede detectarse por su captura por un núcleo apropiado, que libera un tercer rayo gamma. La coincidencia de los eventos de aniquilación de positrones y captura de neutrones proporciona una firma única de una interacción de antineutrinos.

Una molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno , y la mayoría de los átomos de hidrógeno del agua tienen un solo protón por núcleo. Esos protones pueden servir como objetivos para los antineutrinos, de modo que el agua simple puede servir como material de detección primario. Los átomos de hidrógeno están tan débilmente unidos en el agua que pueden considerarse protones libres para la interacción de los neutrinos. El mecanismo de interacción de los neutrinos con núcleos más pesados, aquellos con varios protones y neutrones, es más complicado, ya que los protones constituyentes están fuertemente unidos dentro de los núcleos.

Dada la pequeña posibilidad de interacción de un solo neutrino con un protón, los neutrinos solo podían observarse utilizando un enorme flujo de neutrinos. A principios de 1951, Cowan y Reines, ambos científicos en Los Álamos, Nuevo México , pensaron inicialmente que las explosiones de neutrinos de las pruebas de armas atómicas que se estaban produciendo en ese momento podrían proporcionar el flujo requerido. ^[8] Para una fuente de neutrinos, propusieron utilizar una bomba atómica. Se obtuvo el permiso para esto del director del laboratorio, Norris Bradbury . El plan era detonar una "bomba nuclear de 20 kilotones, comparable a la lanzada sobre Hiroshima, Japón". Se propuso que el detector se dejara caer en el momento de la explosión en un agujero a 40 metros del lugar de la detonación "para atrapar el flujo en su máximo"; se lo llamó "El Monstruo". ^[9] Finalmente, utilizaron un reactor nuclear como fuente de neutrinos, según lo recomendado por el líder de la división de física de Los Álamos, JMB Kellogg. El reactor tenía un flujo de neutrinos de5 × 10 ¹³ neutrinos por segundo por centímetro cuadrado, ^[10] mucho más alto que cualquier flujo que se pueda obtener de otras fuentes radiactivas . Se empleó un detector compuesto por dos tanques de agua, que ofrecía una enorme cantidad de objetivos potenciales en los protones del agua.

En los raros casos en que los neutrinos interactuaron con los protones en el agua, se crearon neutrones y positrones . Los dos rayos gamma creados por la aniquilación de positrones se detectaron colocando los tanques de agua entre tanques llenos de centelleador líquido . El material centelleador emite destellos de luz en respuesta a los rayos gamma, y ​​estos destellos de luz son detectados por tubos fotomultiplicadores .

La detección adicional del neutrón a partir de la interacción del neutrino proporcionó una segunda capa de certeza. Cowan y Reines detectaron los neutrones disolviendo cloruro de cadmio , CdCl ₂ , en el tanque. El cadmio es un absorbente de neutrones muy eficaz y emite un rayo gamma cuando absorbe un neutrón.

norte
+¹⁰⁸
Cd
→^{109 m}
Cd
→¹⁰⁹
Cd
+
gamma

La disposición fue tal que después de un evento de interacción de neutrinos, se detectarían los dos rayos gamma de la aniquilación de positrones, seguidos por el rayo gamma de la absorción de neutrones por el cadmio varios microsegundos después.

El experimento que idearon Cowan y Reines utilizó dos tanques con un total de unos 200 litros de agua con unos 40 kg de CdCl ₂ disuelto . Los tanques de agua estaban intercalados entre tres capas de centelleador que contenían 110 tubos fotomultiplicadores de cinco pulgadas (127 mm) .

En 1953, Cowan y Reines construyeron un detector al que llamaron "Herr Auge", "Sr. Ojo" en alemán. Llamaron al experimento de búsqueda de neutrinos "Proyecto Poltergeist", debido a "la naturaleza fantasmal del neutrino". Se realizó un experimento preliminar en 1953 en el sitio de Hanford en el estado de Washington , pero a fines de 1955 el experimento se trasladó a la planta de Savannah River cerca de Aiken, Carolina del Sur . ^{[11] [12] [13]} El sitio de Savannah River tenía un mejor blindaje contra los rayos cósmicos . Esta ubicación protegida estaba a 11 m del reactor y 12 m bajo tierra.

Después de meses de recopilación de datos, los datos acumulados mostraron alrededor de tres interacciones de neutrinos por hora en el detector. Para estar absolutamente seguros de que estaban viendo eventos de neutrinos según el esquema de detección descrito anteriormente, Cowan y Reines apagaron el reactor para demostrar que había una diferencia en la tasa de eventos detectados.

Habían predicho que la sección transversal de la reacción sería de aproximadamente6 × 10 ⁻⁴⁴  cm ² y su sección transversal medida fue6,3 × 10 ⁻⁴⁴  cm ² . Los resultados se publicaron en la edición del 20 de julio de 1956 de Science . ^{[14] [15]}

Clyde Cowan murió en 1974 a la edad de 54 años. En 1995, Frederick Reines fue honrado con el Premio Nobel por su trabajo sobre la física de neutrinos . ^[7]

La estrategia básica de emplear detectores masivos , a menudo basados ​​en agua, para la investigación de neutrinos fue explotada por varios experimentos posteriores, ^[7] incluyendo el detector Irvine-Michigan-Brookhaven , Kamiokande , el Observatorio de Neutrinos de Sudbury y el Experimento Homestake . El Experimento Homestake es un experimento contemporáneo que detectó neutrinos de fusión nuclear en el núcleo solar. Observatorios como estos detectaron explosiones de neutrinos de la supernova SN 1987A en 1987, el nacimiento de la astronomía de neutrinos . A través de observaciones de neutrinos solares , el Observatorio de Neutrinos de Sudbury pudo demostrar el proceso de oscilación de neutrinos . La oscilación de neutrinos muestra que los neutrinos no son sin masa, un desarrollo profundo en la física de partículas. ^[16]

• Lista de experimentos con neutrinos
• Partículas subatómicas

• Experimento de neutrinos de Cowan y Reines
• Desintegración del neutrón
• Desintegración beta
• Neutrinos y antineutrinos electrónicos
• Experimentos de Cowan y Reines: Poltergeist, Hanford, río Savannah
• El neutrino con el Dr. Clyde L. Cowan (Conferencia sobre el experimento ganador del Premio Nobel)