En 2009, El físico aplicado Peter Sturrock estaba visitando el Observatorio Solar Nacional en Tucson, Arizona, cuando el subdirector del observatorio le dijo que debería leer un controvertido artículo sobre la desintegración radiactiva. Aunque el sujeto estaba fuera del campo de Sturrock, inspiró un pensamiento tan intrigante que al día siguiente llamó al autor del estudio, El físico de la Universidad de Purdue, Ephraim Fischbach, para sugerir una colaboración.

Fischbach respondió:"Estábamos a punto de llamarte".

Más de siete años después, que la colaboración podría resultar en un dispositivo de mesa de bajo costo para detectar neutrinos esquivos de manera más eficiente y económica de lo que es posible actualmente, y podría simplificar la capacidad de los científicos para estudiar el funcionamiento interno del sol. El trabajo fue publicado en la edición del 7 de noviembre de Física solar .

"Si estamos en lo correcto, significa que los neutrinos son mucho más fáciles de detectar de lo que la gente pensaba, "dijo Sturrock, profesor emérito de física aplicada. "Todos pensaron que sería necesario realizar grandes experimentos, con miles de toneladas de agua u otro material, que puede implicar grandes consorcios y enormes gastos, y es posible que obtenga algunos miles de recuentos al año. Pero podemos obtener datos similares o incluso mejores de un experimento que involucre solo microgramos de material radiactivo ".

Por qué, cómo estudiamos los neutrinos

Por veinte años, Sturrock y su colega Jeff Scargle, astrofísico y científico de datos en el Centro de Investigación Ames de la NASA, han estudiado neutrinos, partículas subatómicas sin carga eléctrica y con masa casi nula, que se puede utilizar para aprender sobre el interior del sol.

Las reacciones nucleares en el núcleo del sol producen neutrinos. Una característica única de los neutrinos es que rara vez interactúan con otras partículas y, por lo tanto, pueden escapar fácilmente del sol. brindándonos información sobre el interior solar profundo. Se cree que estudiar neutrinos es la mejor manera de obtener información directa sobre el centro del sol, que por lo demás es en gran parte un misterio. Los neutrinos también pueden darnos información sobre las supernovas, la creación del universo y mucho más.

En la tierra, un área del tamaño de una uña tiene 65 mil millones de neutrinos que la atraviesan cada segundo. Pero solo uno o dos en toda la vida se detendrán en nuestros cuerpos. El estudio de los neutrinos implica equipos y gastos enormes para atrapar suficientes partículas esquivas para su investigación.

En el presente, el estándar de oro para la detección de neutrinos es el Super-Kamiokande de Japón, un magnífico observatorio de $ 100 millones. En uso desde 1996, Super-Kamiokande miente 1, 000 metros bajo tierra. Consiste en un tanque lleno de 50, 000 toneladas de agua ultrapura, rodeado por unos 13, 000 tubos fotomultiplicadores. Si un neutrino entra al agua e interactúa con electrones o núcleos allí, da como resultado una partícula cargada que se mueve más rápido que la velocidad de la luz en el agua. Esto conduce a una onda de choque óptica, un cono de luz llamado radiación de Cherenkov. Esta luz se proyecta en la pared del tanque y es registrada por los tubos fotomultiplicadores.

Desafíos pasados ​​en la detección

El Premio Nobel de Física de 2002 fue otorgado a Masatoshi Koshiba de Super-Kamiokande y Raymond Davis Jr. del Observatorio de Neutrinos Homestake por el desarrollo de detectores de neutrinos y "por la detección de neutrinos cósmicos". Un detalle desconcertante de este trabajo fue que, con sus innovadores métodos de detección, estaban detectando de un tercio a la mitad de los neutrinos de lo esperado, un problema conocido como el "problema de los neutrinos solares". En un principio, se pensó que este déficit se debía a problemas experimentales. Pero, una vez que fue confirmado por Super-Kamiokande, el déficit se aceptó como real.

El año anterior al Nobel, sin embargo, Los científicos anunciaron una solución al problema de los neutrinos solares. Resultó que los neutrinos oscilan entre tres formas (electrón, muon y tau) y los detectores eran principalmente sensibles solo a los neutrinos electrónicos. Para el descubrimiento de estas oscilaciones, el Premio Nobel de Física 2015 fue otorgado a Takaaki Kajita de Super-Kamiokande y Arthur B. MacDonald del Observatorio de Neutrinos de Sudbury.

Incluso con estos desarrollos dignos del Premio Nobel en investigación y equipos a su disposición, los científicos todavía pueden detectar solo unos pocos miles de eventos de neutrinos cada año.

Una nueva opción para la investigación

La investigación que Sturrock conoció en Tucson se refería a las fluctuaciones en la tasa de desintegración de los elementos radiactivos. Las fluctuaciones fueron muy controvertidas en ese momento porque se pensaba que la tasa de desintegración de cualquier elemento radiactivo era constante. Sturrock decidió estudiar estos resultados experimentales utilizando técnicas analíticas que él y Scargle habían desarrollado para estudiar los neutrinos.

Al examinar las fluctuaciones de la desintegración radiactiva, el equipo encontró evidencia de que esas fluctuaciones coincidían con los patrones que habían encontrado en los datos de neutrinos de Super-Kamiokande, cada uno indica una oscilación de un mes atribuible a la rotación solar. La conclusión probable es que los neutrinos del sol están afectando directamente las desintegraciones beta. Esta conexión ha sido teorizada por otros investigadores que datan de hace 25 años, pero el análisis de Sturrock-Fischbach-Scargle agrega la evidencia más sólida hasta el momento. Si esta relación se mantiene, podría estar en marcha una revolución en la investigación de neutrinos.

"Significa que hay otra forma de estudiar los neutrinos que es mucho más simple y mucho menos costosa que los métodos actuales, "Dijo Sturrock." Algunos datos, alguna información, no obtendrás de las desintegraciones beta, pero solo de experimentos como Super-Kamiokande. Sin embargo, el estudio de la variabilidad de la desintegración beta indica que hay otra forma de detectar neutrinos, uno que te da una visión diferente de los neutrinos y del sol ".

Sturrock dijo que esto podría marcar el comienzo de un nuevo campo en la investigación de neutrinos y la física solar. Él y Fischbach ven la posibilidad de detectores de sobremesa que costarían miles en lugar de millones de dólares.

Los próximos pasos por ahora serán recopilar más y mejores datos y trabajar hacia una teoría que pueda explicar cómo están conectados todos estos procesos físicos.