Casi todos los detectores de neutrinos han publicado alguna vez indicios de un neutrino estéril. Los detectores de galio SAGE y GALLEX los observaron hace más de una década. El sucesor de SAGE, el detector BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions), acaba de publicar en Physical Review Letters nuevos indicios de dicho neutrino estéril; en concreto, la aparente oscilación del neutrino electrónico en un cuarto neutrino con una diferencia de masa de Δm² = 3.3 eV² y un ángulo de mezcla de sin²(2θ) = 0.42; aunque la incertidumbre es grande y solo se puede afirmar que Δm² > 0.5 eV² y sin²(2θ) ≈ 0.4. Al combinar la señal de BEST con las de SAGE y GALLEX se obtiene Δm² = 1.25 eV² y sin²(2θ) = 0.34. Una señal muy sugerente, pero en contra del límite cosmológico para la suma de las masas de los neutrinos que es de Σm < 0.12 eV (Planck 2018; LCMF, 01 dic 2018); siendo la masa estimada diez veces menor, creo que se descarta dicho neutrino estéril.
BEST usa como detector dos tanques concéntricos de galio líquido, uno esférico interior con 7.47 toneladas de Ga y otro cilíndrico exterior con 39.96 toneladas de Ga. Como fuente de neutrinos electrónicos se usan 26 discos de cromo-51 en el centro del detector esférico que irradian el galio con unos 3.4 megacurios. La reacción entre un neutrino electrónico del cromo-51 y un núcleo galio-71 da lugar a germanio-71 y un electrón, reacción ⁷¹Ga(νₑ,e⁻)⁷¹Ge. Se extrae el galio líquido se realiza un análisis químico del germanio-57 en busca de un exceso o defecto en su número esperado; los datos de BEST entre julio de 2019 y marzo de 2020 indican que se observa producción de germanio-71 entre un 20 % y un 24 % menor de la esperada según los modelos teóricos en ambos tanques. Este resultado confirma la «anomalía de galio» observada por SAGE y GALLEX con más de cuatro sigmas. Y se interpreta como una oscilación de parte de los neutrinos electrónicos en un nuevo neutrino estéril.
Obviamente, la explicación más prosaica es que se ha sobreestimado teóricamente la producción de sucesos (de hecho, la sección eficaz de interacción de los neutrinos electrónicos y los núcleos de galio no se ha medido con la suficiente precisión, aún siendo clave en la estimación). En un futuro se usará una fuente de neutrinos con mayor energía, mayor vida media y mayor sensibilidad a las longitudes de onda más cortas de la oscilación de neutrinos. En mi opinión todo apunta a que los modelos teóricos son la fuente de la anomalía y de ahí que sea incompatible con las observaciones cosmológicas. Los artículos son V.V. Barinov, B.T. Cleveland, …, A.I. Zvir, «Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST),» Physical Review Letters 128: 232501 (09 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.232501, arXiv:2109.11482 [nucl-ex] (23 Sep 2021); y V.V. Barinov, B.T. Cleveland, …, A.I. Zvir, «Search for electron-neutrino transitions to sterile states in the BEST experiment,» Physical Review C 105: 065502 (09 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.105.065502, arXiv:2201.07364 [nucl-ex] (19 Jan 2022). Más información divulgativa en la nota de prensa de LANL, «Experiment results confirm anomaly, could point to new elementary particle,» Phys.org, 16 Jun 2022; y Mike McRae, «A ‘Very Exciting’ Anomaly Detected in Major Experiment Could Be Huge News For Physics,» Science Alert, 17 Jun 2022.
Los detectores de galio se usaron para estudiar los neutrinos solares; el famoso defecto entre los neutrinos observados y los predichos por el modelo solar. Dicho problema se resolvió con la confirmación de la oscilación de los neutrinos, lo que implica que tienen masa, resultado que llevó al Premio Nobel de Física de 2015 a Kajita (SuperKamiokande) y McDonald (SNO). El resultado final de estos detectores fue un defecto adicional, la llamada anomalía del galio, que se interpretó como asociada a la oscilación en un neutrino estéril. BEST se diseñó para resolver la cuestión, confirmar o refutar la anomalía del galio. Esta figura ilustra la geometría de los tanques que se usan como blanco para los neutrinos. Falta la parte de extracción del líquido para su análisis químico, así como el sistema de inserción y extracción de la fuente radiactiva beta.
El primer resultado de BEST, cuyo objetivo era estudiar la anomalía del galio observada por SAGE, parece ratificarla. Pero, como siempre, hay que ser cautos y esperar sus nuevos resultados. La razón es que el fondo (background) de sucesos no se conoce todo lo bien que sería deseable; de hecho se ha emprendido un trabajo teórico intenso, pero que aún está inconcluso, para tratar de estimar mejor el fondo de sucesos de este experimento. Hasta entonces no debemos tomar los nuevos indicios sobre la anomalía del galio como una confirmación, a pesar de sus aparentes más de cuatro sigmas de significación estadística.
Esta figura muestra los datos observados (puntos negros con grandes bandas de incertidumbre) que se interpretan ajustadas teóricamente a curvas suaves para los sucesos observados (curvas rojas) y predichos por la teoría (curvas azules) para las detectores esférico interior (parte izquierda de la figura) y cilíndrico exterior (parte derecha). Claramente los puntos observacionales (negros) se describen mejor por las líneas rojas que por las azules; pero las incertidumbres aún son grandes. Y además, todo depende de los sistemáticos (predicción teórica) usados por la colaboración BEST, en los que se esperan mejoras futuras que podría alterar la interpretación de estas figuras.
El resultado obtenido por BEST para el cociente entre los eventos observados y los esperados es de Rout = 0.77 ± 0.05 para el detector exterior (un defecto respecto a la unidad de 4.6 desviaciones típicas) y de Rin = 0.79 ± 0.05 para el detector interior (un defecto a 4.2 desviaciones típicas). Esta tabla y esta figura comparan el resultado de BEST con los ya obtenidos por SAGE y GALLEX; lo que más destaca es que la banda de error en el cociente se ha reducido a la mitad y que ahora los indicios son incompatibles con R=1 superan las cuatro sigmas. Pero hay que tener cuidado con las sigmas en este tipo de detectores donde el fondo de sucesos aún genera dudas entre los expertos (mientras no estén bien controlados los errores sistemáticos, la estimación del número de sigmas de los errores estadísticos puede ser ficticia). Aún así, gracias a sus más cuatro sigmas este nuevo resultado se ha publicado en Physical Review Letters. Habrá que estar al tanto de la evolución futura de este resultado en los próximos años.
Esta medida podría haber sido publicada antes, o al menos complementar la de BEST, por un experimento con una técnica de detección diferente (con todo lo que implica sobre el desacoplamiento de la anomalía con las incertidumbres sistemáticas, como la mencionada sección eficaz de captura de neutrinos electrónicos del galio), más potente en muchos sentidos, y para el cual ya se había gastado la mayor parte del presupuesto -incluyendo las técnicas de calorimetría y el calorímetro integrado polivalente para fuentes de 51Cr y 144Ce-Pr, el sistema de inserción bajo el detector, el escudo biológico también polivalente de la fuente radiactiva, las técnicas de reducción y análisis de datos, y hasta los preparativos para una calibración general del detector antes o después de la medida. Este experimento, como ya comenté en su día en este blog, era SOX, empleando como «ojo» el recientemente difunto detector Borexino.
Tristemente, esto no pudo ser: por una parte, tejemanejes políticos, falta de voluntad por parte de algunos actores importantes en el proyecto, y al final una metedura de pata por parte de quienes tenían que construir la fuente radiactiva, tuvieron una parte importante en la debacle. Pero como dicen los anglosajones, «when there’s a will, there’s a way», y probablemente algo se podría haber apañado con un poco de paciencia y buena voluntad, si no hubiese sido por la descomunal (e interesadamente inflada) campaña de acoso y derribo por parte de ciertos grupos «ambientalistas» locales, apoyados sin duda alguna por una gran parte de la alta clase política a quien interesa una sociedad cada vez más oscurantista, ignorante y atrasada. Tampoco es que los responsables científicos del laboratorio se hayan lucido precisamente, con declaraciones (más que) desafortunadas a los medios, incapacidad de hacer frente a cualquier crítica, por muy disparatada o constructiva que fuese, tiempos técnicos absurdamente prolongados, desorganización y dejadez en los procedimientos administrativos muy indicativa de cierto funcionariado pasotista acomodado… pero, de nuevo, aquí hablamos de una campaña política de desprestigio y renuncia voluntaria (forzada para quienes no comulgaran) a capacidades de detección en física de partículas únicas en el mundo, aún más singulares en el entorno europeo e italiano en particular, como las que ofrecía el detector Borexino, tras muchos años de delicadísimas operaciones por parte de sus colaboradores. Algo así, y salvando las distancias, como la cerrazón a buscar una solución lógica al reciente cierre de las centrales nucleares alemanas, especialmente en vista de la guerra en ruso-ucraniana, insistiendo en su lugar en un camino anacrónico, más dañino y descorazonador para toda Europa, por incomprensibles intereses partidistas a corto plazo.
Esta campaña comenzó en contra de SOX, por supuesto, que al contener material radiactivo inmediatamente desató todas las alarmas mentales de cualquiera de los «plebeyos» adoctrinados que hacen moverse las encuestas políticas. Pero enseguida devino una campaña más genérica que buscó como objetivo inmediato la destrucción de los detectores más expuestos a las iras populares (Borexino y LVD, por contener grandes cantidades de compuestos químicos potencialmente peligrosos, como el hidrocarburo parecidos a la gasolina del primero, y aguarrás en el segundo… pero en lo álgido de la campaña de acoso y derribo, cualquier cosa era susceptible de ser considerada «peligrosa»: no estoy exagerando ni inventando cuando digo, de primera mano, que a las encargadas de la limpieza diaria tenían que tener un permiso especial para usar detergente friegasuelos, se les prohibía el uso de alcohol como disolvente… y aparte de tal «excepción» cualquier producto no inocuo estaba totalmente prohibida en los subterráneos).
Tal cosa la han conseguido en unos pocos años, sin oposición digna de tal nombre, y teniendo al INFN hincando rodilla, aunque haya supuesto la interrupción innecesaria y precoz de fructuosísimas campañas científicas sin reemplazo previsto en un futuro próximo ni lejano, ni a nivel global ni, por supuesto, en Europa. Ahí está la recentísima medida a 5 sigmas de los neutrinos CNO como ejemplo más palpable, llevando a la reafirmación del modelo de alta metalicidad del Sol con alta probabilidad, reforzada por una reevaluación independiente de los resultados heliosismológicos y de espectroscopía fotosférica que vuelve a favorecer tal modelización, en contra de las hipótesis de baja metalicidad de las últimas décadas que habían dado pie al llamado «problema de la metalicidad [solar]». Metalicidad en la que se basan extrapolaciones y conjeturas a nivel astrofísico de todo el Universo por cierto, pues es el Sol nuestra referencia. Borexino condenado sumarísimamente y ejecutado sin posibilidad de apelación, a pesar de haber conseguido algo así, encima de sus apabullantes logros observando todos los componentes del flujo de neutrinos del Sol, y de estar documentada la enorme ventaja potencial de cualquier extensión en su vida útil, aunque fueran meses. Esto porque había conseguido niveles de estabilidad y radiopureza en su medio de detección, el centelleador que albergaba en su interior, gracias a extensivos trabajos de fluidodinámica que yo mismo inicié y capitanée durante años, y que aún continúan a través de quien me relevó, póstumamente al propio detector (detector que en estos momentos está siendo sangrado, perdón vaciado, de ese preciosísimo líquido, ahora inútil tras ser mezclado y contaminado durante la extracción).
Por supuesto, la campaña oscurantista no se parará ahí, y tras una tregua para reorganizarse y no pecar de ambiciosos, previsiblemente redoblarán sus esfuerzos para cerrar o impedir la ejecución de otros experimentos «menos peligrosos pero aún peligrosísimos» en los laboratorios del Gran Sasso, como por ejemplo LUNA MV (acelerador «radiogénico», ¡imaginémonos!). Ya apuntaban maneras en sus críticas cuando la ejecución de SOX aún era una posibilidad real, ¡qué no podrán pedir ahora tras esta capitulación sin condiciones! No me cabe duda de que tras ello intentarán pasar a otros experimentos «limpios» pero según ellos arriesgados, como los muchos detectores criogénicos contenidos en LNGS («todos esos gases asfixiantes, con necesidad de máquinas contaminantes para mantenerlos así de fríos», es evidente el discurso que intentarán), para acabar exigiendo el cierre de los laboratorios enteramente o, como muchos luditas de la zona sueñan, el cierre completo del túnel del Gran Sasso y su infraestructura.
Todo esto porque se antoja «imposible» desacoplar los sistemas del laboratorio del acuífero en el que están contenidos – cosa que como admiten los propios «ambientalistas», sería cuestión de desplazar unas cuantas tomas de agua e impermeabilizar o aislar algunos suelos. Tecnología del s. XXIII y gastos exorbitantes, claramente. Todo problemas técnicos, ningún embrollo político, no sea usted malpensado.
Esto no es una opinión exagerada: todo lo anterior lo cuento de primera mano como opciones que eran vox pópuli, y apoyadas por una parte no desdeñable de la población local, o incluso dados por razonables por trabajadores de los laboratorios, hace pocos años.
Por cerrar con algo más ceñido al tema de la entrada: hace menos de una década, SOX, en ese momento llamado SOX-Cr, se quería realizar tal cual se ha realizado BEST, pero con mejores condiciones y significación estadística (con una fuente de 51Cr más potente, de en torno a 5 MCi o más, posible en ciertos reactores de altísimo flujo neutrónico más allá del SM-3 de Dimitrovgrad usado para la de BEST, como el HFIR en ORNL, donde trabajé y a partir del cual modelé una estrategia de irradiación del 50Cr para maximizar la producción de neutrinos resultante, con además una mejor modelización de las incertidumbres en un detector muy bien caracterizado, que además se podría haber calibrado hasta una precisión mayor con una campaña muy similar a la ejecutada en 2010, también diseñada por un servidor con la ayuda de muchos fantásticos compañeros, y retrasada -a la postre cancelada, como todo el proyecto- por los mismos «miedos» completamente sacados de quicio a cualquier tipo de contaminación accidental en los laboratorios). Más tarde, cuando SOX-Ce fue la única opción en desarrollo, empleando antineutrinos electrónicos en un espectro de emisión mucho más «sucio» y contaminado con líneas gamma, cortesía de la fuente de 144Ce-Pr supuestamente disponible más rápida y fácilmente que la de 51Cr, todavía se podría haber efectuado en Europa con Borexino una medida complementaria a la de BEST, quizás adelantándosele, con buenas posibilidades de discernir estas transiciones neutrínicas de alta frecuencia.
Sólo queda, aparte de disculparme por el tostón, darles la enhorabuena a BEST por hacer realidad un cachito de a lo que nosotros aspiramos, escapándosenos entre los dedos como arena, aun a sabiendas de que el escepticismo sobre la interpretación de su medida como neutrinos estériles (u otros fenómenos causantes de transiciones neutrínicas de onda corta) es general en el mundillo, probablemente con razón… si bien personalmente siempre me ha gustado la idea de estos neutrinos estériles tan potencialmente al alcance de la mano, y secretamente apuesto por su existencia, aunque la razón me diga lo contrario 🙂
Gracias por el comentario, David.
¡Gracias por cubrir (y tan bien, y tan a tiempo) estos temas a ti!
Por cierto, puedo confirmar que Borexino acaba, pocos días ha, de ser vaciado de pseudocumeno, su líquido centelleador ultrapuro (más bien, que ERA ultrapuro, ahora es poco más que cualquier otro lote de tal sustancia, quizás notablemente bajo en 14C), al igual que los mecanismos de almacenado y transporte del laboratorio, y del detector DarkSide-50 (con el que comparte instalaciones). En estos momentos se encuentra totalmente lleno de agua en todos sus volúmenes, la que será reemplazada por nitrógeno, y luego aire, en los próximos meses. Una era se cierra, aunque hay muchos planes para hacer vivir su legado, incluyendo la reutilización de los volúmenes internos para otros experimentos, evitando el desmontaje total.