03/02/2011 - Investigadores españoles participan en un experimento para medir un parámetro desconocido del neutrino

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Un grupo de científicos del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Organismo Público de Investigación adscrito al Ministerio de Ciencia e Innovación, participa en el experimento Double Chooz, una colaboración internacional de 35 instituciones que acaba de terminar la construcción del primero de sus dos detectores y comienza a obtener datos. Situado en la región francesa de Las Ardenas, este experimento detecta antineutrinos producidos en una central nuclear para medir el último parámetro desconocido en la oscilación del neutrino, fenómeno por el que esta enigmática partícula se transforma en los tres tipos de neutrinos que existen. Esta medida contribuirá a mejorar futuros experimentos en física de neutrinos, que además permitirá otras aplicaciones como el desarrollo de instrumentos capaces de detectar actividades nucleares al margen de los tratados internacionales.

El neutrino es una partícula propuesta por Wolfgang Pauli en 1930 para compensar la pérdida de energía observada en la desintegración beta del neutrón. En teoría debería ser una partícula sin carga eléctrica, ni masa, ni sujeta a la interacción fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales), por lo que sería difícilmente detectable. Estas cualidades le han valido apelativos como el de “partícula fantasma”: cada segundo miles de millones de neutrinos procedentes del Sol “atraviesan” la Tierra, y a nosotros con ella, sin que nos demos cuenta.

Además de las desintegraciones producidas en el núcleo de las estrellas y otras fuentes astrofísicas (supernovas, radiación cósmica de fondo), las centrales nucleares producen grandes cantidades de antineutrinos, la antipartícula del neutrino (la antipartícula es idéntica a la partícula excepto por su carga eléctrica opuesta, aunque en el caso del neutrino, al no tener carga, difiere en otros parámetros como el espín o ángulo de giro de la partícula). Así, la existencia de la “partícula fantasma” se demostró en 1956 en un experimento que detectó antineutrinos procedentes de la central nuclear de Savannah River, en Carolina del Sur (Estados Unidos), descubrimiento que le valió el Nobel a Frederick Reines en 1995.

La teoría que define las partículas fundamentales y sus interacciones, el Modelo Estándar, distingue tres tipos de neutrinos (neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau, cada una de las tres familias de partículas que, junto a los quarks, forma la materia que vemos). La oscilación del neutrino, la transformación de la partícula de uno a otro tipo, fue la respuesta a otro de los misterios planteados por el estudio de esta elusiva partícula: al medir los neutrinos del electrón procedentes del Sol se detectó un menor número del previsto. La solución planteada fue que en el camino hacia la Tierra los neutrinos “oscilan”, se transforman en los otros tipos, que no eran detectados.

Este descubrimiento cambió la teoría, ya que si los neutrinos oscilaban debían tenermasa (aunque es tan pequeña que aún no se ha podido medir con exactitud), y les reportó el Nobel de Física en 2002 a los científicos que lo detectaron, Raymond Davis Jr. y Masatoshi Koshiba. La oscilación del neutrino depende de tres “parámetros de mezcla”, dos de los cuales, los más comunes, ya han sido determinados. El tercero, denominado “theta 13” (₁₃), aún no ha sido medido, y es el objetivo del experimento donde trabajan los investigadores españoles.

Double Chooz, donde además del CIEMAT participan investigadores de Brasil, Reino Unido, Francia, Alemania, Japón, Rusia y Estados Unidos, es el primero de una nueva generación de experimentos con neutrinos producidos en reactores nucleares cuyo objetivo fundamental es la medida de este parámetro fundamental de la física de neutrinos. El experimento tiene un coste total de 12 millones de euros, de los cuales España aporta el 5% financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación a través del Plan Nacional de Física de Partículas.

El experimento consiste en dos grandes detectores situados en las cercanías de la central nuclear de Chooz (Las Ardenas, Francia). El primero, situado a un kilómetro de los reactores, acaba de llenarse con un líquido centelleador (que absorbe la energía de la interacción de los antineutrinos y emite luz) desarrollado para este experimento y ha empezado a tomar datos. La comparación entre el número de neutrinos medido y el esperado según los cálculos teóricos permitirá mejorar la sensibilidad al parámetro theta 13 desde el primer año de funcionamiento. El segundo detector, ubicado a 400 metros, empezará a funcionar en 2012.

“A esa distancia no se espera que haya una transformación significativa de un tipo de neutrino en otro, pero la comparación de los resultados en ambos detectores permitirá determinar theta 13 con mayor precisión”, asegura Inés Gil, investigadora del CIEMAT. El centro del detector o “blanco de neutrinos”, consta de 10 metros cúbicos de líquido centelleador rodeado por tres capas de otros líquidos para aislarlo de la radiactividad ambiental. 390 fotomultiplicadores convierten las interacciones en señales eléctricas, que son procesadas por un sistema de adquisición de datos listo para funcionar durante los próximos 5 años.

Un grupo de investigadores del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT ha participado en la fase de diseño, construcción y puesta a punto de este detector, con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN, Consolider 2010). La actividad del grupo del CIEMAT se ha centrado en el sistema de fotomultiplicadores, su caracterización y calibración, la implementación de su blindaje para minimizar efectos de campo magnético, el diseño y construcción de sus elementos mecánicos de fijación al detector y el desarrollo de diversos componentes electrónicos del sistema de “read-out” y de alta tensión. La actividad del grupo español en los próximos meses será el análisis de datos y la obtención de los primeros resultados.

Neutrinos para la paz

La física de neutrinos ha sido en los últimos 50 años una de las áreas más fructíferas en la física de partículas: cinco Premios Nobel han sido concedidos por descubrimientos relacionados con el neutrino. La puesta en marcha de nuevos detectores como Double Chooz asegura que continuará siéndolo. Pero los experimentos con neutrinos no se reducen sólo a la investigación básica: un grupo de científicos de Double Chooz se ha propuesto utilizar los principios desarrollados en la detección de neutrinos de centrales nucleares para elaborar un instrumento que pueda utilizarse para detectar pruebas nucleares al margen de los tratados internacionales. La Agencia Internacional de la Energía Atómica ha mostrado su interés en este tipo de iniciativas, entre las cuales una de las más avanzadas es la construcción del detector Nucifer.

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