Los científicos lograron engañar al tiempo y atrapar una partícula fantasma
Los físicos rusos, junto con sus colegas estadounidenses, lograron encontrar la confirmación de casi medio siglo de predicciones de que el neutrino llamado "partícula fantasma" interactúa con la materia ordinaria. Se ha realizado un estudio que puede ayudar a crear un dispositivo que pueda ver a través de reactores nucleares, así como descubrir qué procesos ocurren dentro de las supernovas.
En 1974, se expresó una teoría entre los científicos sobre la posibilidad de interacción de alguna forma desconocida entre los neutrinos y la materia. Estas partículas elementales, millones de veces más ligeras que un electrón, pueden atravesar libremente los planetas. Las colisiones con núcleos atómicos ocurren periódicamente y los neutrinos interactúan con algunos neutrones y protones. Pero hace cuatro décadas, los científicos asumieron que es posible una interacción entre el neutrino y el núcleo en su conjunto. Este mecanismo se denomina dispersión coherente de neutrinos en los núcleos. Se propuso como uno de los componentes del Modelo Estándar de interacciones electrodébiles, pero no se ha confirmado experimentalmente hasta ahora.
La interacción electrodébil es una descripción general de varias interacciones fundamentales: electromagnética y débil. Se acepta generalmente que después de que el Universo alcanzó una temperatura de aproximadamente 1015 kelvin (y esto sucedió casi inmediatamente después del Big Bang), estas interacciones fueron un todo único. Las fuerzas débiles, a diferencia de las electromagnéticas, se manifiestan en una escala mucho menor en relación con el tamaño del núcleo atómico. Proporcionan la desintegración beta del núcleo, en el que es posible liberar no solo neutrinos, sino también antineutrinos. Al mismo tiempo, según la teoría de la interacción electrodébil, no solo surge un neutrino, sino también su interacción con la materia, la materia.
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La teoría dice que si ocurre un proceso de interacción entre el neutrino y el núcleo debido a una dispersión coherente, en este caso se produce una liberación de energía transferida al núcleo a través del bosón Z, que es el portador de la interacción débil. Es muy difícil arreglar este proceso, porque la liberación de energía es muy insignificante. Para aumentar la probabilidad de una dispersión coherente, se utilizan elementos pesados como objetivos, en particular, cesio, yodo y xenón. Al mismo tiempo, cuanto más pesado es el núcleo, más difícil es detectar este retroceso, lo que, a su vez, también complica la situación.
Los científicos han propuesto el uso de detectores criogénicos para detectar la dispersión de neutrinos, teóricamente capaces de registrar incluso la interacción de materia simple y materia oscura. Un detector criogénico es una cámara muy fría, con una temperatura apenas una centésima de grado por encima del cero absoluto, y que captura la pequeña cantidad de calor que se libera durante la reacción de los núcleos con los neutrinos. Los cristales de tungstato de calcio o germanio se utilizan como sustrato; además, los dispositivos superconductores, líquidos inertes o semiconductores modificados también podrían desempeñar el papel de detectores.
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Después de realizar los cálculos necesarios, los investigadores encontraron que el candidato ideal para el objetivo es el yoduro de cesio con impurezas de sodio. Fueron los cristales de esta sustancia los que se convirtieron en la base del pequeño detector (su peso era de solo 14 kilogramos y el tamaño era de 10x30 centímetros). Este detector se instaló en la fuente de neutrones SNS, que se encuentra en el estado estadounidense de Tennessee, en el Laboratorio Nacional Oak Ridge. El detector se colocó en un túnel blindado con hormigón y hierro, a unas dos docenas de metros de la fuente, que reproduce haces de neutrones, pero al mismo tiempo hay un efecto secundario: los neutrinos.
Una fuente artificial de SNS, en contraste con las fuentes naturales de neutrinos, en particular, la atmósfera de la Tierra o el Sol, es capaz de producir un haz de neutrinos suficientemente grande para ser capturado por un detector, pero al mismo tiempo lo suficientemente pequeño como para que ocurra una dispersión coherente. Como señalan los investigadores, el detector y la fuente encajan casi perfectamente. Las moléculas de yoduro de cesio, al interactuar con las partículas, se convierten en centelleadores (en otras palabras, reemiten energía en forma de luz). Y fue esta luz la que se registró. Según el Modelo Estándar, un neutrino muónico, un neutrino electrónico y un antineutrino muónico entraron en interacción con el cristal.
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Este descubrimiento es importante. Y el punto no es en absoluto que los científicos hayan confirmado una vez más la imagen física del mundo, que describe el Modelo Estándar. A través de la dispersión coherente, los científicos esperan desarrollar herramientas y técnicas específicas para monitorear reactores nucleares para ayudar a ver a través de las paredes lo que está sucediendo en el interior. Además, la dispersión coherente se produce dentro de las estrellas de neutrones y ordinarias, así como durante las explosiones de supernovas. Por lo tanto, brindará la oportunidad de aprender más sobre su estructura y vida. Los científicos saben que los neutrinos presentes en las entrañas de las supernovas golpean la capa exterior durante la explosión, formando una onda de choque que hace pedazos a la estrella. Debido a la dispersión coherente, se puede explicar una interacción similar entre los neutrinos y la materia de la estrella que explota.
Además, en la búsqueda de WIMP, partículas teóricas de materia oscura, los investigadores confían en detectar la radiación que se produce a partir de sus núcleos atómicos y de colisión. Debe distinguirse del fondo que crea una dispersión coherente de neutrinos. Esto puede mejorar los datos que se pueden obtener sobre la materia oscura utilizando detectores criogénicos y de otro tipo.
