Desafiando la relatividad con desintegraciones nucleares

2vbbAMuchas veces se nos critica a los científicos por no compartir nuestro trabajo con el público general, principalmente porque nuestros resultados son reportados como documentos técnicos (papers) destinados a una audiencia especializada. Hace unos días se publicó un proyecto en el que llevo varios años trabajando y en presente artículo contaré de qué se trata.

La pregunta a responder es bastante simple: ¿son las reglas de la relatividad respetadas por los neutrinos producidos en una reacción nuclear? La búsqueda de posibles condiciones en las que la relatividad pudiese no funcionar apropiadamente es un activo campo de estudio teórico y experimental. Para una mejor apreciación y comprensión del presente artículo es recomendable haber leído mi artículo anterior a modo de introducción: Poniendo la relatividad a prueba.

MGM

Maria Goeppert-Mayer (APS)

Desintegración nuclear doble beta

Maria Goeppert-Mayer es lamentablemente uno de esos nombres poco conocidos para la gente que no se dedica a la física nuclear. Goeppert-Mayer jugó un rol fundamental en la descripción matemática de las interacciones dentro del núcleo atómico. Su historia es fascinante, pero en vez de intentar describirla recomiendo leer el excelente artículo de Laura Morrón “Maria Goeppert-Mayer: La belleza de Göttingen“. Sobre su educación, basta con mencionar que estudió en Göttingen en los años donde allí se forjaba la mecánica cuántica. La desigualdad de género le trajo problemas toda su vida, pero logró destacarse por su trabajo y gran entendimiento de la física cuántica, lo que la convirtió en la colega favorita de Enrico Fermi. En su tesis de doctorado, supervisada por Max Born (uno de los padres de la mecánica cuántica sentado junto a Niels Bohr en la famosa imagen del Congreso de Solvay), Goeppert-Mayer desarrolló las ecuaciones que describen la absorción de dos fotones, es decir, explicó cómo un material podría absorber dos fotones a la vez, un problema matemáticamente muy complejo. Sus predicciones fueron comprobadas varias décadas más tarde, tras la invención del láser. De la misma manera, en 1935 Goeppert-Mayer publicó uno de los artículos más importantes para la física de neutrinos: la desintegración nuclear doble beta (abreviado 2νββ). La desintegración nuclear beta consiste en la transformación de un neutrón en un protón, cuando esto ocurre se emite un electrón (históricamente llamado partícula beta) y un antineutrino, este proceso es el que motivó a Wolfgang Pauli a postular el neutrino en 1930. Goeppert-Mayer modeló la extraña posibilidad de en que los núcleos de ciertos elementos este proceso ocurriera dos veces de manera simultánea, es decir, que dos neutrones se desintegraran al mismo tiempo en dos protones emitiendo dos electrones y dos antineutrinos. Por ejemplo, un núcleo del elemento xenón-136 se transformaría en un núcleo de bario-136 (el bario tiene dos protones más que el xenón).

2vbb

De cierta manera, dos desintegraciones nucleares simultáneas se parecían a la absorción de dos fotones que estudió durante su tesis, por lo que Maria describió este fenómeno con facilidad y elegancia. Esta desintegración nuclear doble beta fue observada varias décadas más tarde en varios elementos confirmando las predicciones de Goeppert-Mayer.
Más tarde ella también desarrolló la matemática detrás del famoso modelo de capas nucleares, lo que explica la estabilidad de ciertos núcleos, trabajo por el cual recibió el Premio Nobel de Física en 1963.

Volviendo a la desintegración nuclear doble beta, existe un proceso similar al descrito por Goeppert-Mayer en el cual la desintegración nuclear doble beta produce dos electrones pero sin la emisión de antineutrinos (abreviado 0νββ).

0vbb

Este proceso es de gran interés ya que revelaría una de las propiedades más fundamentales de los neutrinos, con consecuencias en muchos otros campos de la física. Aunque no ha sido observado todavía, sólo puede ocurrir si el neutrino es su propia antipartícula (lo que en lenguaje técnico se llama un fermión de Majorana), lo que tendría importantes consecuencias en la descripción de la física de neutrinos y por esto es uno de los más activos campos de investigación en la actualidad.

Desafiando la relatividad en la desintegración nuclear doble beta

Dado el gran interés en tratar de observar 0νββ, varios experimentos han sido diseñados y construidos en las últimas décadas. Algunos de los más importantes en funcionamiento son EXO-200 (en EEUU), GERDA (en Italia), KamLAND-Zen (en Japón) y Super-NEMO (en Francia), formados como colaboraciones internacionales con casi un centenar de científicos cada uno. Dadas las características de estos experimentos, cuando estaba en mi último año del doctorado decidí estudiar cómo podríamos usar experimentos de desintegración nuclear doble beta para buscar por posibles desviaciones de la simetría de Lorentz (detalles de este campo de estudio en el post anterior). Dado que 0νββ no ha sido observado mi idea parecía destinada al fracaso, sin embargo hay un detalle: los experimentos que buscan 0νββ usan elementos muy particulares, como xenón y germanio, los que también producen 2νββ en grandes cantidades. Los electrones emitidos en 2νββ se usan a veces como métodos de calibración del experimento pero principalmente son una molesta fuente de contaminación en los detectores y sólo complican la búsqueda de 0νββ. Aquí cambié de estrategia y me dediqué a calcular cómo buscar por posibles desviaciones de la simetría de Lorentz usando los “inservibles” datos obtenidos por un experimento debido a 2νββ, disponibles en grandes cantidades. El proceso no fue simple, los cálculos son bastante complejos y el proyecto me dio dolores de cabeza por varios meses. Fue interesante realizar una versión modificada del cálculo de Goeppert-Mayer. Finalmente obtuve el resultado, lo que dio origen a mi primera publicación como único autor a fines del doctorado. El artículo fue publicado en la revista Physical Review D a principios de 2014 (versión gratuita: arXiv:1311.0930).

Una vez terminado mi cálculo, el siguiente paso fue uno de los más importantes: darlo a conocer a los equipos que podrían usarlo para realizar un estudio experimental. Fui a varias conferencias y dicté muchos seminarios donde logré interesar a miembros de varios experimentos en EEUU y en Europa, sin embargo a pasos de mi oficina una profesora de mi universidad y su alumna de doctorado que trabajan en el experimento EXO-200 llevaron a una colaboración más cercana con este equipo. Además los otros equipos al estar a más de “un océano de distancia” hacían cualquier comunicación más lenta que caminar unos pasos desde mi oficina.

El artículo recién publicado corresponde a materialización de esta larga búsqueda: como el título describe esta es la primera búsqueda de desviaciones de la simetría de Lorentz en desintegración nuclear doble beta con EXO-200. El experimento EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) utiliza 200 kg de un elemento llamado xenón-136 en estado líquido ultra puro (por eso el nombre “Enriched”). EXO-200 está ubicado en un recinto subterráneo llamado WIPP (Waste Isolation Pilot Plant) en el estado de New Mexico, EEUU. En este sitio a 650 metros bajo tierra en una formación salina se almacenan los residuos de la producción de armamento nuclear durante a Guerra Fría, por lo que las condiciones de seguridad son extremas. En 2014 hubo un pequeño incidente en el que el sello de un contenedor con sales metálicas con restos de plutonio proveniente de Los Alamos se reventó. Obviamente la causa no fue una reacción nuclear, el problema fue producido porque para absorver humedad estos contenedores se rellenan con cat litter (arena para gatos) convencional y este contenedor fue rellenado accidentalmente con “cat litter orgánico” fabricado con trigo. Los carbohidratos presentes en esta arena orgánica sirvieron como combustible para una reacción química con las sales de plutonio almacenadas liberando calor, el que a su vez aceleró las reacciones produciendo suficiente calor y gases para romper el sello del contenedor. La fuga radiactiva fue menor y no produjo problemas, pero dejó claro que escoger la arena de gato requiere estrictos protocolos ya sea para su baño de tu minino como para almacenar residuos nucleares.cat_litter2

Luego de casi dos años de trabajo, en nuestro estudio no encontramos señales de desviaciones de la simetría de Lorentz en desintegración nuclear doble beta de xenón-136. Este resultado no significa que la simetría de Lorentz sea exacta, pero señala que si cualquier desviación existe entonces debe ser muy pequeña y por esto no pudimos observarla en este experimento. Podemos decir que los neutrinos siguen respetando las reglas de la relatividad (por ahora). De todas formas determinamos por primera vez el rango de valores permitidos para el parámetro relevante en la teoría (SME). Trabajar con este equipo fue una experiencia muy enriquecedora, he colaborado antes con experimentales y las diferentes maneras de hacer análisis y resolver problemas es mutuamente educativo. Además de proponer la idea original, mi trabajo fue hacer los cálculos para la aplicación directa en este experimento y el análisis de datos fue realizado por la estudiante, que obtuvo su PhD hace unos meses y este proyecto fue parte de su tesis. Luego escribimos el paper juntos, el que pasó por un riguroso proceso de revisión interna de decenas de personas dentro de la colaboración EXO. Luego de varios meses fue aprobado y el artículo fue hecho público en el arXiv a fines de enero pasado (versión gratuita: arXiv:1601.07266); unas semanas más tarde fue aceptado en Physical Review D y publicado el pasado 1 de abril, exactamente dos años después de defender mi tesis de doctorado.

Dado mi interés en el trabajo de Maria Goeppert-Mayer este proyecto fue bastante significativo, supongo que ella se alegraría de saber que su idea de la desintegración nuclear doble beta puede ahora usarse para poner a prueba la relatividad con neutrinos.

 

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
Esta entrada fue publicada en Energía nuclear, Física de Partículas, Física en primera persona, Neutrinos. Guarda el enlace permanente.

8 respuestas a Desafiando la relatividad con desintegraciones nucleares

  1. Pingback: Desafiando la relatividad con desintegraciones nucleares — Conexión causal – Postgrado Física-Matemática. DCyT

  2. Jose Maria dijo:

    Me gustan mucho estos artículos
    Club de Física Enrico Fermi

  3. Ignacio dijo:

    Gracias Jorge, muchas gracias por compartir tus estudios. Sigue así, es valioso poder leer artículos de esta índole :D

  4. Pingback: Poniendo la relatividad a prueba | Conexión causal

  5. Pingback: El neutrino está de cumpleaños | Conexión causal

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s