A miles de metros bajo tierra, en las profundidades ctónicas de la corteza terrestre, los científicos por fin han captado neutrinos solares en el acto de transformar el carbono-13 en nitrógeno-13.
Es la primera vez que se observa esta rara reacción nuclear mediada por neutrinos, lo que revela cómo algunas de las partículas más esquivas e intangibles del Universo pueden, sin embargo, remodelar silenciosamente la materia, en la oscuridad subterránea, lejos de la superficie.
“Este descubrimiento utiliza la abundancia natural de carbono-13 dentro del centelleador líquido del experimento para medir una interacción rara y específica”, dice la física Christine Kraus de SNOLAB, el observatorio de neutrinos en Canadá donde se realizó la detección.
“Hasta donde sabemos, estos resultados representan la observación de energía más baja de las interacciones de neutrinos en núcleos de carbono-13 hasta la fecha y proporcionan la primera medición directa de la sección transversal de esta reacción nuclear específica al estado fundamental del núcleo de nitrógeno-13 resultante”.
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Los neutrinos se encuentran entre las partículas más abundantes que existen en el gran y amplio Universo. Se forman en circunstancias energéticas, como las explosiones de supernovas y la fusión atómica que tiene lugar en el corazón de las estrellas, por lo que están prácticamente en todas partes.
Sin embargo, no tienen carga eléctrica, su masa es casi nula y apenas interactúan con otras partículas que encuentran. Cientos de miles de millones de neutrinos fluyen a través de su cuerpo en este momento, pasando a través de él como fantasmas. Por eso se les conoce cariñosamente como partículas fantasma.
Pero de vez en cuando, un neutrino choca contra otra partícula, una colisión que produce un brillo infinitamente débil y una lluvia de otras partículas. Sin embargo, son difíciles de detectar en la superficie de la Tierra, donde los rayos cósmicos y la radiación de fondo oscurecen la señal.
Es por eso que algunos de los mejores detectores de neutrinos se encuentran a gran profundidad, donde la propia corteza terrestre sirve como escudo contra la radiación. Allí, cámaras gigantes están revestidas con fotodetectores y llenas con un centelleador líquido que amplifica las pequeñas señales generadas por raras interacciones de neutrinos, que florecen en la completa y silenciosa oscuridad.
Los neutrinos formados en el corazón del Sol fluyen constantemente a través de la Tierra. Sus energías se encuentran dentro de un rango bien conocido que los hace fáciles de distinguir de los neutrinos atmosféricos y astrofísicos, que son mucho más energéticos y mucho menos comunes. A los 2 kilómetros (1,24 millas) de profundidad del detector SNO+ de SNOLAB, casi todos los eventos en esta banda de energía son de origen solar.
Dirigido por el físico Gulliver Milton de la Universidad de Oxford en el Reino Unido, el equipo de investigación examinó minuciosamente los datos de SNO+ recopilados entre el 4 de mayo de 2022 y el 29 de junio de 2023, en busca de una señal específica que indique una interacción de neutrinos con el carbono-13 dentro del fluido centelleador.
Cuando un neutrino electrónico solar choca contra un núcleo de carbono 13, la colisión produce dos cosas. La primera es la producción de un electrón, una partícula con carga negativa, a medida que el núcleo atómico absorbe el neutrino.
Dentro del núcleo del átomo de carbono hay 13 partículas: seis protones cargados positivamente y siete neutrones neutros. La interacción débil provocada por el neutrino convierte uno de esos neutrones en un protón, emitiendo un electrón.
Con su recuento de protones aumentado de seis a siete, el átomo ya no es carbono sino nitrógeno-13, que tiene siete protones y seis neutrones.
Unos 10 minutos más tarde, el nitrógeno-13 resultante (un isótopo radiactivo inestable de nitrógeno con una vida media de, como habrás adivinado, 10 minutos) se desintegra, emitiendo un antielectrón revelador, o positrón.
El resultado de la interacción de principio a fin es un destello distintivo de dos pasos conocido como coincidencia retardada. Básicamente, los investigadores pueden observar un electrón seguido de un positrón 10 minutos después, como firma de un neutrino que convierte el carbono-13 en nitrógeno-13.
A partir de 231 días de datos de observación, los investigadores identificaron 60 eventos candidatos. Al pasar los datos de sus eventos candidatos a través de su modelo estadístico se estimaron 5,6 transmutaciones de carbono-nitrógeno impulsadas por neutrinos. En realidad, eso está bastante cerca de los 4,7 eventos estimados que esperaban encontrar.
“Capturar esta interacción es un logro extraordinario”, afirma Milton. “A pesar de la rareza del isótopo de carbono, pudimos observar su interacción con los neutrinos, que nacieron en el núcleo del Sol y recorrieron grandes distancias para llegar a nuestro detector”.
El resultado es apasionante. Confirmar las predicciones teóricas siempre es gratificante, porque significa que la ciencia va por el camino correcto.
También proporciona una nueva medida de la probabilidad de esta reacción específica de neutrino-carbono de baja energía. Eso significa que establece un nuevo punto de referencia para la física nuclear que será útil en estudios futuros.
“Los propios neutrinos solares han sido un tema de estudio intrigante durante muchos años, y sus mediciones mediante nuestro experimento predecesor, SNO, condujeron al Premio Nobel de Física de 2015”, dice el físico Steven Biller de la Universidad de Oxford.
“Es notable que nuestra comprensión de los neutrinos del Sol haya avanzado tanto que ahora podemos utilizarlos por primera vez como ‘haz de prueba’ para estudiar otros tipos de reacciones atómicas raras”.
La investigación ha sido publicada en Physical Review Letters.