MW: Física de neutrinos: Prueba beta

Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 11 de julio de 2012 en Nature News

El debate se centra en si los investigadores han logrado ver una forma excepcionalmente rara de radiactividad. Los experimentos de este año deberían zanjar definitivamente este tema.

Una vez cada 10 cuatrillones de años aproximadamente, ciertos núcleos atómicos podrían saltarse las reglas. Cuando dos de sus neutrones sufren una desintegración, por otra parte normal, cambiando a protones y emitiendo electrones podrían no liberar los subproductos normales: las fantasmales partículas conocidas como neutrinos.

Para tener una posibilidad de detectar esta extraña ‘desintegración doble β sin neutrinos’, los físicos tienen que recopilar unos pocos cuatrillones de átomos de un isótopo adecuado — decenas o incluso cientos de kilogramos del mismo — poner su muestra en las profundidades de la Tierra de forma que queden aislados de los rayos cósmicos y la radiactividad normal, y luego pasar años contando los potenciales eventos de desintegración hasta que estén seguros de que cualquier señal que vean no se debe al ruido. Es un proceso complejo y laborioso, pero varias colaboraciones de todo el mundo lo están haciendo, y algunos incluso esperan llegar a una respuesta a final de año.

Detector de germanio en Gran Sasso

Una observación definitiva, dice Ettore Fiorini físico de partículas en la Universidad de Milano-Bicocca en Italia, sería “uno de los descubrimiento más importantes en la física de los últimos 100 años”. Significaría que el neutrino, partícula sin carga y casi sin masa, es su propia antipartícula, haciéndola distinta de cualquier otra partícula fundamental. El descubrimiento permitiría a los físicos establecer finalmente la masa del neutrino, e incluso podría ayudarlos a comprender por qué existe la materia.

Pero incluso si no se ve la desintegración, un resultado definitivo zanjaría una controversia que ha acuciado a la comunidad de la física de neutrinos desde 2001, cuando Hans Klapdor-Kleingrothaus y sus colegas del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, Alemania, afirmaron haber visto el fenómeno en un detector del Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia¹. Muchos físicos creen que en grupo de Heidelberg simplemente tomó por error un proceso de actividad radiactiva común como si fuese un proceso exótico. Incluso algunos investigadores que trabajan en el experimento, incluyendo un equipo del Instituto Kurchatov en Moscú, no creen la afirmación y abandonaron la colaboración en signo de protesta.

Pero el grupo de Heidelberg ha rechazado retractarse. Esto no es sorprendente, dice Stefan Schönert, físico en el Instituto Max Planck para Física de Partículas en Heidelberg y portavoz de otro experimento en Gran Sasso, el Germanium Detector Array (GERDA). De confirmarse la afirmación, dice, “el premio Nobel iría a Klapdor-Kleingrothaus”.

“No hay nada que pueda señalar y decir que está obviamente equivocado”, añade Steven Elliott, físico de neutrinos en el Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México. “Pero esta es claramente una afirmación drástica, por lo que se tiende a ser escéptico. Lo que realmente queremos es una prueba definitiva de si es cierto o no”.

Claro como el agua

El desafío ahora es lograr esa demostración. Nada en este tema es fácil – como demostró incluso el detector centro de la controversia. Conocido como experimento Heidelberg–Moscú, se fabricó a partir de 11,5 kilogramos de germanio enriquecido con un 86% de germanio-76 en lugar del 7% con el que se da en la naturaleza. El equipo eligió los isótopos debido a que es uno de aproximadamente una docena conocidos en sufrir una desintegración doble β común, por lo que era automáticamente elegible para la desintegración sin neutrinos. El germanio también es un semiconductor, lo que permitió que el material actuase tanto como fuente como detector — cualquier electrón emitido depositaría su energía en el cristal de alrededor en forma de un pulso de corriente observable.

El experimento empezó a generar datos en 1990. El primer y más obvio reto al que se enfrentaron los investigadores fue apantallar el Ge-78 de cualquier radiación de fondo que pudiese imitar la señal. Los 1400 metros de roca sobre el laboratorio Gran Sasso bloqueaban los ratos cósmicos². Y los investigadores desviaron la mayor parte de la radiactividad de la roca que lo rodeaba usando gruesos escudos de plomo y cobre. También crearon los componentes del experimento a partir de materiales que tienen baja radiactividad natural.

Su segundo reto fue distinguir entre los distintos tipos de desintegración doble β. En esa época se estimaba que la vida media de la desintegración doble β sin neutrinos, suponiendo que tenga lugar, era mayor de 10²² años. Los investigadores, por tanto no esperaban ver más de unos pocos miles de eventos sin neutrinos cada año en los 11,5 kilos de Ge-78; la desintegración doble β común, que en ese momento se pensaba que tenía una vida media del orden de 10²⁰ años, generaría al menos 100 veces más eventos. Y los productos de la desintegración – un par de electrones – serían idénticos. Cualquier neutrino sería invisible, volando fuera del detector sin dejar rastro.

Para identificar la desintegración sin neutrinos los físicos tenían que medir la energía de los electrones. En la desintegración doble β común, la energía total se comparte entre electrones y neutrinos de una forma que varía aleatoriamente entre cada desintegración. Las energías de los electrones, por tanto, varían en un amplio rango de valores. Pero en la desintegración sin neutrinos los electrones se quedan con toda la energía por lo que debería verse en el espectro de energía un pico nítido en un único valor — a 2039 kiloelectronvolts (keV) en el caso del Ge-78.

Esto es exactamente lo que afirmaron haber observado Klapdor-Kleingrothaus y sus colegas. Anunciaron que 10 años de recolección de datos habían producido un pico que contenía unos 15 eventos justo en la energía esperada — y que había sólo un 3% de posibilidades de que el pico se debiera a una fluctuación estadística debida a la radiación de fondo¹. Según afirmaban, habían encontrado la desintegración doble β sin neutrinos.

Pero los críticos – y ha habido muchos - no están seguros. La mayor preocupación es que el equipo no tuvo en cuenta de forma adecuada la multitud de otros picos que había en los datos, la mayor parte de los cuales procedían de radiactividad de fondo que ningún experimento puede apantallar por completo.

En 2002, Elliott y otros 25 físicos lo dijeron así en una carta³ a Modern Physics Letters A, la revista que había publicado los resultados. No estaban convencidos, por ejemplo, de que los investigadores de Heidelberg hubiesen atribuido correctamente algunos picos al bismuto-214 de las rocas que rodeaban el laboratorio y eran parte de los componentes del detector. Y si el equipo no podía demostrar eso, señalaban los críticos, ¿cómo podía afirmarse conocer qué provocaba ese pico en 2039 keV?

La respuesta del grupo de Heidelberg fue recopilar datos otros tres años, y tener un cuidado adicional en la medida e identificación de los picos del bismuto-214⁴. Los investigadores también rastrearon cualquier aumento de energía que se depositara en el detector, midiendo los aumentos y bajadas de la corriente eléctrica a lo largo de varios cientos de nanosegundos. En esta escala de tiempo, la energía liberada tanto en la desintegración doble β normal como la de sin neutrinos debería formar un único pulso, mientras que la radiactividad de fondo tiende a generar múltiples pulsos, facilitando la distinción entre las señales del fondo.

Este análisis eliminó gran parte del ruido de fondo, así como 4 de los eventos del pico de 2039 keV, pero permitió al equipo declarar una significación estadística muy mejorada para los restantes 11 eventos. En 2006, los investigadores anunciaron⁴ que el pico era consistente con la vida media de 2,2 × 10²⁵ años de la desintegración doble β sin neutrinos en el Ge-78, y con una masa para el neutrino de unos 0,3 eV. “Existe una señal en la energía correcta y demostramos que los eventos de la señal proceden de un único lugar”, dice Klapdor-Kleingrothaus, refiriéndose al depósito de energía de pulso único. “No se puede hacer más de lo que se ha hecho”.

Los escépticos seguían sin estar convencidos; aún se debatía furiosamente sobre si la radiación de fondo se había tenido en cuenta adecuadamente. Pero el experimento se cerró en noviembre de 2003 y ningún otro detector de desintegración doble β tenía la suficiente sensibilidad para poner a prueba las conclusiones del equipo. Solo ahora tenemos una nueva generación de experimentos que empiezan a alcanza dicho nivel.

Tal vez el que está más cerca es EXO, el Observatorio de Xenón Enriquecido, que se encuentra a unos 650 metros de profundidad en el Planta Piloto de Aislamiento de Residuos del Departamento de Energía de los Estados Unidos en Carlsbad, Nuevo México. EXO está buscando desintegración doble β sin neutrinos en 200 kilogramos de xenón líquido enriquecido con xenón-136. El mes pasado, el miembro de la colaboración Jacques Farine de la Universidad Laurentian en Sudbury, Canadá, dijo a los delegados de la conferencia Neutrino 2012 en Kioto, Japón, que el experimento no había visto pruebas de desintegración sin neutrinos en los datos recopilados entre septiembre de 2011 y abril de 2012. El hallazgo⁵, dice la colaboración, equivale a “la casi completa refutación” de la afirmación de Heidelberg.

O tal vez no. EXO usó un isótopo distintos del usado en el experimento de Heidelberg–Moscú, y hay una considerable incertidumbre sobre cómo afectan las distintas estructuras nucleares a la tasa de desintegración doble β sin neutrinos. Esto da al equipo de Heidelberg suficiente margen incluso si los resultados de EXO siguen siendo negativos, y con los otros dos experimentos en la carrera: el proyecto KamLAND-Zen en la mina de Kamioka de un kilómetro de profundidad en Japón, que también usa Xe-156, y el detector Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (COURE) en Gran Sasso, que usa telurio-130.

Pero no existe este margen si GERDA tampoco ve nada. GERDA usa la misma muestra de germanio enriquecido que se monitoriza en el experimento Heidelberg–Moscú, así como parte de material igualmente enriquecido rescatado del Experimento Internacional de Germanio, que fue dirigido por una colaboración de físicos estadounidenses, rusos, españoles y armenios en el Laboratorio subterráneo de Canfranc bajo los Montes Pirineos en la década de 1990. GERDA tiene unos niveles mucho menores que su predecesor de eventos de fondo, dice Schönert, en parte debido a que los materiales cerca del germanio son más puros, de forma que rápidamente igualará y superará en sensibilidad al experimento de Heidelberg–Moscú. Al haber empezado en noviembre de 2011, debería adquirir suficientes datos para “confirmar o descartar a Klapdor-Kleingrothaus” para finales de 2012 o principios de 2013, comenta.

Cuestión de escala

Pero incluso un resultado negativo procedente de GERDA no acabaría necesariamente con la idea. Podría simplemente indicar que la desintegración es más rara de lo que afirma el grupo de Heidelberg — en cuyo caso los investigadores necesitarán de unos detectores mucho más grandes para identificarla. Michel Sorel, físico del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en Valencia, y físico coordinador del Experimento Neutrino con un detector de Cámara de Proyección Temporal de Xenón (NEXT) en el laboratorio de Canfrac, estima que serían necesarias varias toneladas de material. Distintas colaboraciones están planificando una mejora de sus detectores para llegar a la escala de multitoneladas, pero Sorel cree que el coste de construcción — de 100 a 200 millones de dólares cada uno —implica que es probable que sólo uno de dichos experimentos se lleve a cabo.

Mientras tanto, sin embargo, Sorel está impaciente por ver puesta a prueba la afirmación de Heidelberg con los detectores actuales. “Gran parte de la comunidad estaba en contra de dicha afirmación y probablemente aún lo está”, dice. “Pero la gente se lo ha tomado en serio y por esto es por lo que se construyeron experimento de germanio como GERDA”.

La verificación de la afirmación de Heidelberg sería “fantástica”, dice Schönert, dado que los experimentos podrían dedicarse a investigar el mecanismo subyacente a la desintegración doble β sin neutrinos. Los físicos que un mecanismo es un neutrino ‘virtual’ que salta de un neutrón a otro demasiado rápidamente para observarlo. Pero otro podría ser las partículas ‘supersimétricas’ buscadas desde hace tanto y que los físicos han teorizado como extensiones del modelo estándar de partículas y fuerzas.

Lo importante ahora, dice Schönert, es que los físicos que trabajan en los experimentos de desintegración doble β estén pendientes de su afán competitivo. “No es importante quién descarta o confirma primero a Klapdor-Kleingrothaus”, insiste, “sino que los datos sean de gran calidad. Tenemos que intentarlo manteniendo el espíritu de la comunidad, no por hacer más ruido vamos a obtener mejores resultados”.

Nature 487, 160–162 (12 July 2012) doi:10.1038/487160a

Artículos de Referencia:
1.- Klapdor-Kleingrothaus, H. V., Dietz, A., Harney, H. L. & Krivosheina, I. V. Mod. Phys. Lett. A 16,2409–2420 (2001).
2.- Nosengo, N. Nature 485, 435–438 (2012).
3.- Aalseth, C. E. et al. Mod. Phys. Lett. A 17, 1475–1478 (2002).
4.- Klapdor-Kleingrothaus, H. V. & Krivosheina, I. V. Mod. Phys. Lett. A 21, 1547–1566 (2006).
5.- Auger, M. et al. Preprint at http://arxiv.org/abs/1205.5608v1 (2012).