El experimento de neutrinos Cowan-Reines fue realizado por los físicos Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956. El experimento confirmó la existencia de neutrinos . En la década de 1930 se había conjeturado que los neutrinos, partículas subatómicas sin carga eléctrica y de masa muy pequeña, eran una partícula esencial en los procesos de desintegración beta . Sin masa ni carga, tales partículas parecían imposibles de detectar. El experimento aprovechó un enorme flujo de (entonces hipotéticos) antineutrinos electrónicos que emanaban de un reactor nuclear cercano y de un detector formado por grandes tanques de agua. Se observaron interacciones de neutrinos con los protones del agua, comprobando por primera vez la existencia y propiedades básicas de esta partícula.
Durante las décadas de 1910 y 1920, las observaciones de los electrones de la desintegración beta nuclear mostraron que su energía tenía una distribución continua. Si el proceso involucrara sólo al núcleo atómico y al electrón, la energía del electrón tendría un pico único y estrecho, en lugar de un espectro de energía continuo. Sólo se observó el electrón resultante, por lo que su energía variable sugirió que es posible que no se conserve la energía. [1] Este dilema y otros factores llevaron a Wolfgang Pauli a intentar resolver el problema postulando la existencia del neutrino en 1930. Si se quería preservar el principio fundamental de la conservación de la energía , la desintegración beta tenía que ser de tres cuerpos, en lugar de que uno de dos cuerpos, decadencia. Por lo tanto, además de un electrón, Pauli sugirió que en la desintegración beta se emitía otra partícula del núcleo atómico. Esta partícula, el neutrino, tenía una masa muy pequeña y no tenía carga eléctrica; No fue observado, pero llevaba 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 consta de cuatro fermiones que interactúan directamente entre sí. Mediante esta interacción, el neutrón se desintegra directamente en un electrón , el conjeturado neutrino (más tarde se determinó que era un antineutrino ) y un protón . [4] La teoría, que resultó ser notablemente exitosa, se basaba en la existencia del hipotético neutrino. Fermi presentó por primera vez su teoría "provisional" 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 " .
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 (
pag
) para producir un neutrón (
norte
) y positrón ( ),
La posibilidad de que ocurriera esta reacción era pequeña. La probabilidad de que ocurra cualquier reacción dada es proporcional a su sección transversal . Cowan y Reines predijeron que una sección transversal de la reacción sería 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 magnitud más grande.
A pesar de la baja probabilidad de interacción de neutrinos, las firmas de la interacción son únicas, lo que hace posible la detección de interacciones raras. El positrón , la contraparte en antimateria del electrón , interactúa rápidamente con cualquier electrón cercano y se aniquilan entre sí. Los dos rayos gamma coincidentes resultantes (
γ
) son detectables. El neutrón puede detectarse mediante su captura por un núcleo apropiado, liberando un tercer rayo gamma. La coincidencia de los eventos de aniquilación de positrones y captura de neutrones da una firma única de interacción antineutrino.
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 como protones libres para la interacción de 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 sólo podían observarse utilizando un enorme flujo de neutrinos. A partir de 1951, Cowan y Reines, entonces científicos en Los Alamos, Nuevo México , pensaron inicialmente que las explosiones de neutrinos de las pruebas de armas atómicas que se estaban llevando a cabo en ese momento podrían proporcionar el flujo requerido. [8] Como fuente de neutrinos, propusieron utilizar una bomba atómica. El permiso para ello se obtuvo 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 dejar caer el detector en el momento de la explosión en un agujero a 40 metros del lugar de la detonación "para captar el flujo al máximo"; se llamó "El Monstro". [9] Finalmente utilizaron un reactor nuclear como fuente de neutrinos, según lo aconsejado 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 obtenible de otras fuentes radiactivas . Se empleó un detector compuesto por dos tanques de agua, que ofrecía una gran cantidad de objetivos potenciales en los protones del agua.
En esos raros casos en que los neutrinos interactuaban con los protones en el agua, se crearon neutrones y positrones . Los dos rayos gamma creados por la aniquilación de positrones se detectaron intercalando 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.
La disposición era tal que, después de una 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 más tarde.
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 centelleadoras que contenían 110 tubos fotomultiplicadores de cinco pulgadas (127 mm) .
En 1953, Cowan y Reines construyeron un detector al que llamaron "Herr Auge", "Mr. Eye" 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 finales de 1955 el experimento se trasladó a la planta del río Savannah cerca de Aiken, Carolina del Sur . [11] [12] [13] El sitio del río Savannah tenía una mejor protección contra los rayos cósmicos . Este lugar blindado estaba a 11 m del reactor y a 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 a partir del esquema de detección descrito anteriormente, Cowan y Reines apagaron el reactor para mostrar que había una diferencia en la tasa de eventos detectados.
Habían predicho que una sección transversal de la reacción sería aproximadamente6 × 10 −44 cm 2 y su sección transversal medida fue6,3 × 10 −44 cm 2 . Los resultados fueron publicados 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 recibió 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 en varios experimentos posteriores, [7] incluido 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 procedentes de la 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 . Mediante 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 carecen de masa, un profundo avance en la física de partículas. [dieciséis]
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