Por primera vez se observa la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo (CEνNS)

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Un neutrino puede colisionar de forma elástica (sin pérdida de energía) contra un núcleo completo (de forma coherente) vía el intercambio de una corriente débil neutra (un bosón Z) si su longitud de onda es comparable al tamaño del núcleo (o su energía está entre 5 y 50 MeV). Se publica en Science la primera observación de esta colisión elástica coherente entre un neutrino y un núcleo (CEνNS), confirmando una predicción teórica del modelo estándar obtenida en 1974 por Daniel Z. Freedman (hoy famoso por sus trabajos en supergravedad).

Se ha observado la CEνNS con 6,7 sigmas usando un detector de centelleo con 14,6 kg de CsI:Na y la fuente de neutrinos más intensa del mundo, el SNS (Spallation Neutron Source) del Oak Ridge Laboratory, en Tennessee, EE.UU. La medida de la Colaboración COHERENT es muy complicada porque la energía de retroceso de los núcleos es muy baja (cada colisión entre un neutrino y un núcleo de Cs (o I) produce 1,17 fotoelectrones por keV). Se han observado 134 ± 22 sucesos tras 308,1 días de toma de datos con neutrinos (“Beam ON”), que se ha comparado con un fondo residual obtenido tras 153,5 días de toma de datos sin neutrinos (“Beam OFF”). Los neutrinos en SNS se generan bombardeando un total de ~ 1,76 × 1023 protones contra un blanco de mercurio, lo que genera neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y antineutrinos muónicos.

El artículo es COHERENT Collaboration, “Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering,” Science (03 Aug 2017) [OA link], doi: 10.1126/science.aao0990.

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Para la detección de la energía de retroceso en la escala de los keV se ha usado un centelleador inorgánico activado de CsI:Na (yoduro de cesio activado por sodio). Estos detectores funcionan por luminiscencia. La banda prohibida (band gap), distancia entre la banda de valencia y la banda de conducción, en el CsI ronda los 6 eV. Cuando un neutrino colisiona con uno de los átomos del cristal CsI (el tamaño de los iones de Cs y de I es similar), su energía de retroceso provoca que un electrón salte de la banda de valencia a la de conducción; siendo la banda prohibida tan ancha, el electrón es metaestable y tarda mucho en retornar a ella. Los niveles electrónicos del Na (que actúa de activador) se encuentran en medio de la banda prohibida del CsI, con lo que un electrón en la banda de conducción puede saltar a niveles excitados del Na y decaer a su nivel fundamental emitiendo luz (fotones por luminiscencia). Dichos fotones son detectados por fotomultiplicadores.

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¿Para qué puede servir la detección de la CEνNS? Como se observan neutrinos con energías en el rango de los MeV puede tener uso práctico como detector compacto de neutrinos en la industria nuclear; los neutrinos electrónicos generados por los reactores nucleares tienen energías en el rango MeV, luego un detector de neutrinos compacto (con menos de una tonelada podría estar dentro de un camión) podría permitir explorar el estado interno del reactor de forma directa. También podría tener aplicaciones astrofísicas ya que los neutrinos emitidos por las supernovas tienen una energía picada en la escala de los MeV. Y, por supuesto, aplicaciones militares para la detección de pruebas de bombas nucleares, ya que usando neutrinos se puede estimar muy bien su energía.

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¿Alguna aplicación más sexy? El gran problema de la búsqueda directa de la materia oscura en el rango de masas WIMP (entre 1 GeV y 10 TeV) es el fondo de neutrinos que interaccionan con los núcleos del detector vía dispersión elástica coherente neutrino-núcleo. El nuevo trabajo no afecta a estas búsquedas, pues aún nadie busca materia oscura tipo WIMP en el rango de energía MeV (solo se están buscando fotones oscuros en dicho rango). Futuros detectores como SuperCDMS, LZ, XENONnT, y DARWIN, entre otros, acabarán alcanzando este fondo entre 2025 y 2030. A partir de entonces se transformarán en detectores de la CEνNS para dichas energías, no siendo útiles para buscar WIMPs.

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En resumen, un gran resultado de la Colaboración COHERENT. Por fortuna pronto será confirmado, ya que además de un detector de 14,6 kg de CsI:Na, COHERENT tiene uno de 28 kg de LAr y otro de 185 kg de NaI:Tl. Además, planea un detector de una tonelada de LAr y otro de dos toneladas de NaI:Tl en la próxima década. Toda nueva confirmación de una predicción del modelo estándar debe ser bienvenida (recuerda que hay muchísimas aún sin confirmar). El modelo estándar sigue tan robusto como siempre y sus aplicaciones prácticas.


5 Comentarios

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JavierJavier

En lugar de “neutrinos antimuónicos” creo que es mejor decir “antineutrinos muónicos”.

Alejandro BravoAlejandro Bravo

Gracias Francisco, suponía que sería algún tipo de forma de Argón, pero no sabía.

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