Cazadores de neutrinos
Un detector de neutrinos fue recientemente instalado en el reactor nuclear más potente de Argentina y ya ha comenzado a producir datos. La hazaña fue realizada por un grupo de físicas y físicos argentinos junto a colegas del exterior. El objetivo pasa por estudiar estas escurridizas partículas elementales que todo lo atraviesan y resultan muy difíciles de interpelar. Se cree que esconden secretos que podrían responder a algunos de los enigmas más intrigantes de la física en la actualidad.
A sólo ocho metros del núcleo de Atucha II registra señales un detector Skipper CCD, el único de este tipo en el mundo alojado en el corazón de un reactor. El detector de un gramo de silicio que es capaz de registrar con minuciosa precisión qué partículas llegan hasta él y contarlas de a una nació en Fermilab -el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi-, de Estados Unidos. Desde allí, partió junto a cámaras de vacío y otros periféricos rodeados de doscientos kilos de plomo hacia Buenos Aires. El cargamento llegó al Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA donde las partes fueron ensambladas y el sistema chequeado. Aún faltaba un último traslado: cien kilómetros hasta la central nuclear ubicada en Lima, provincia de Buenos Aires, que los investigadores recuerdan como una verdadera odisea.
“El detector tiene una geometría especial para poder ubicarse dentro del reactor de Atucha, por lo que no podía perder su verticalidad. Cualquier movimiento provocaría que el refrigerador y el detector se rompieran. Lo trasladamos a poca velocidad. El viaje duró tres horas, tuvimos que detenernos, por momentos, para ajustar partes. Cuando llegamos a la central debíamos ingresar a la zona controlada sumergidos en los trajes que protegen contra la contaminación radiactiva. Tuvimos que cargar el detector y bajarlo por una angosta escalera de cuarenta y ocho escalones. Llegar al sitio fue como aterrizar luego de lanzarse en paracaídas”, recuerda con nervios y alegría Darío Rodrígues, investigador en el Instituto de Física de Buenos Aires (UBA-CONICET).
En 1930, cuando sólo se conocían el electrón y el protón, Wolfgang Pauli propuso la existencia de otra partícula que justificaba la conservación de energía en un proceso estudiado por esos años: el decaimiento beta. Fue el italiano Enrico Fermi quien la bautizó como neutrino. El nombre daba cuenta de que la partícula en cuestión poseía una masa menor a la del neutrón, también descubierto en esos años. Aunque Pauli había advertido con pesar que sería imposible su comprobación experimental, finalmente los neutrinos fueron observados en 1956 por Clyde Cowan y Fred Reines.
Las probabilidades de interacción de los neutrinos con la materia es mínima, pero en 1946 Bruno Pontecorvo escribió que si fuese posible disponer de miles de millones de ellos, algunos podrían interaccionar y, de ese modo, ser observados. ¿Qué fuente podría proveerlos en esa cantidad? Un reactor nuclear.
El equipo de investigadores e investigadoras haciendo pruebas con el detector en Atucha II.
Darío Rodrigues forma parte del Grupo de Física Experimental de Altas Energías junto a Eliana Depaoli, Iván Sidelnik y Javier Tiffenberg. Ellos realizaron la instalación del detector en el reactor.
El físico conversó con NEXciencia sobre la travesía de colocar un detector de neutrinos en el interior del domo del reactor, los resultados que están obteniendo y las ideas teóricas que impulsan su investigación.
– ¿Por qué cazar neutrinos en Atucha y no en otro lugar?
– Los reactores nucleares son la fuente de neutrinos más intensa que hay sobre el planeta Tierra. De antineutrinos, en realidad. El Sol es la fuente más intensa pero estamos lejos de él, entonces, la cantidad de neutrinos por centímetro cuadrado que obtenemos no es tan importante como cuando nos acercamos a un reactor. Elegimos hacer nuestro experimento en Atucha II porque, además de tener el doble de potencia que Atucha I, las personas que trabajan allí tuvieron una excelente predisposición para que esto sea posible.
– Hiciste la distinción de que, en realidad, buscan la antipartícula de los neutrinos, ¿cómo es eso?
– Las partículas que emite el reactor no son neutrinos sino antineutrinos. Antes de explicar ese punto quisiera decir que aún hoy no sabemos si los neutrinos y los antineutrinos son la misma partícula. Hay razones suficientes desde el punto de vista teórico para distinguirlos, aunque también podrían ser la misma partícula, como ocurre con el fotón. La gran mayoría de los neutrinos que vienen del reactor provienen de un proceso nuclear que se llama desintegración beta, y puede ser de dos tipos: el decaimiento β- ocurre cuando se emite un electrón y un antineutrino; y, β+ cuando se emite un positrón y un neutrino. El número de partículas y antipartículas en el universo se tiene que conservar, entonces, como en el decaimiento β- lo que se produce es un electrón (una partícula), su compañera debe ser un antineutrino (una antipartícula). Es una cuestión de conservación del número de partículas y antipartículas. Que haya una antipartícula para el neutrino resulta muy trascendente para la física de partículas. En la jerga decimos que los neutrinos son de Dirac o de Majorana según sea partícula/antipartícula o su propia antipartícula y eso implica que el álgebra con que uno los estudia es distinta y las consecuencias son bien fundamentales. Hoy en día el neutrino es la ventana hacia la nueva física. Hay cosas que entendemos bien porque se detectaron hace sesenta años y otras que aún no comprendemos y chocan con el Modelo Estándar, la teoría fundamental más robusta que tenemos.
– Hay varios experimentos diferentes para cazar neutrinos, ¿cómo funciona un pequeño detector adentro de un reactor nuclear?
– Bueno, eso es lo que hace interesante a este proyecto. La forma “fácil” de cazar neutrinos es vía el decaimiento beta inverso, es decir, cuando un antineutrino interactúa con un protón y produce una transformación nuclear. Este fue el primer método para comprobar la existencia de los neutrinos, pero necesita que tengan alta energía, si no, no ocurre. Además, todos los procesos que hacen los neutrinos son muy poco probables. Entonces, si algo es muy poco probable que suceda y cuando ocurre deja una señal muy pequeña se necesita un detector ultrasensible, eso es lo que nosotros tenemos: un Skipper CCD. Es básicamente un CCD convencional pero que puede contar la carga que tiene cada uno de sus píxeles -cajitas de 15 x 15 micrones- con total precisión, uno por uno. Es decir, sabe con exactitud la cantidad de electrones que hay. Eso permite saber qué pasa con los neutrinos por debajo de esa energía umbral que mencionaba como necesaria para el decaimiento beta inverso. Entonces, vamos al reactor, ponemos un detector ahí y si un neutrino interactúa con los electrones o con un núcleo de silicio -inexorablemente ocurre-, los electrones ionizados van a quedar atrapados en las cajitas. Luego, contamos cuántos electrones quedaron atrapados. Por supuesto que no sólo los neutrinos son capaces de mover electrones de lugar, todos esos procesos que no nos interesan pero dejan registro en el detector son un fondo ruidoso que es necesario identificar. Lo que hacemos es medir un tiempo con el reactor prendido y luego, cuando el reactor está apagado, observamos la diferencia de número de eventos en cada caso. La diferencia se la vamos a adjudicar a los neutrinos, casi todo lo demás se blinda con hormigón y con plomo. Los neutrinos necesitan espesores ridículamente grandes para detenerse. Los Skipper CCD nacieron para buscar materia oscura, los utilizan en el experimento SENSEI que es quien lidera la búsqueda de materia oscura liviana, que comparte con los neutrinos la característica de ser muy esquiva a la interacción.
Reactor de la Central Atucha II.
– ¿Y qué implica que estos sean neutrinos de baja energía, a diferencia de los astrofísicos que llegan desde lugares remotos del universo?
– Los neutrinos que produce el reactor son del orden del megaelectronvoltio (un millón de electronvoltios), es una energía baja si se compara con los neutrinos que provienen de otras fuentes, o con los rayos cósmicos, por ejemplo. Para ser preciso, no sólo es que el rango de la energía de neutrinos producidos por el reactor es bajo, también lo es la energía que el neutrino deja en el detector; quisiera detenerme en esto. El proceso con más chances de verse a bajas energías consiste en que venga un neutrino y vea al núcleo como un todo e interaccione con él de forma coherente. Este proceso se da mediante una interacción llamada dispersión elástica coherente entre neutrino y núcleo (CEvNS por sus siglas en inglés, en la jerga conocida como sevens). Este tipo de interacción, como si fuera con un todo, hace que las probabilidades estén determinadas por la cantidad de neutrones al cuadrado. Este fenómeno fue predicho hace cuarenta años y sólo hace tres pudo observarse experimentalmente en un acelerador de partículas. Nosotros aspiramos a que el Skipper logre la segunda observación directa de la interacción de neutrinos con los núcleos de forma coherente y la primera vez con neutrinos de un reactor nuclear.
– ¿Hay otros proyectos de este tipo llevándose a cabo?
– Sí. CONNIE, un experimento con CCDs en la central nuclear de Angra, en Brasil, también busca cazar neutrinos desde un reactor, a pesar de que está colocado fuera del domo. Los resultados que ya ha publicado CONNIE, donde somos colaboradores, ya han logrado imponer cotas sobre la existencia de nueva física. De hecho, ya estamos pensando en forma conjunta en un experimento que se llamará vIOLETA, que aspira a poner 10 kg de Skippers dentro de un reactor nuclear.
– Por último, ¿qué resultados esperan comunicar pronto?
– Los resultados se dan por etapas. Hemos logrado que funcione; que alcance temperaturas criogénicas; que no haya problemas con el sistema de vacío; que podamos manejar el detector de manera remota, ahora puedo prender y apagar el detector desde mi casa, así como regular la temperatura y varias otras cosas. En este momento, necesitamos determinar cuál es el nivel de “fondo ruidoso” dentro de la central nuclear, es decir, diferenciar las señales que dejan específicamente los neutrinos en el detector. Para obtener resultados científicos de alto impacto necesitamos colocar más detectores, medir durante un período de tiempo más prolongado y también hacerlo cuando el reactor se apague, cosa que sucede una vez por año. Es decir, necesitamos más detectores dentro del reactor. En eso estamos.
Un proyecto, varias personas e instituciones
El detector se diseñó y preparó en Fermilab -donde trabajan muchos argentinos-, junto al Laboratorio de Berkeley: Javier Tifferberg, Juan Estrada, Guillermo Fernández Moroni, Miguel Sofo Haro, Ana Botti, Mariano Cababie, Leandro Stefanazzi, Fernando Chierchie y Gustavo Cancelo.
El Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF), de Exactas UBA, prestó sus instalaciones para que el el detector pudiera ensamblarse mientras se construye el Laboratorio de Detección de Partículas LAMBDA en Exactas UBA.
En la Central nuclear Atucha II, Eduardo Arostegui, Nicolás Lazaretti, David Delgado y varias personas más colaboran en cada movimiento necesario.
