detección de neutrinos con centelleador

Más allá de la órbita de Neptuno se extiende un océano de islotes helados que apenas ha cambiado en cuatro mil millones de años. Estos islotes, llamados objetos transneptunianos, guardan la receta del nacimiento de los planetas. Hasta hace poco, los astrónomos solo veían los más grandes; los pequeños, del tamaño de una ciudad, permanecían invisibles.

Nadie ha visto la materia oscura, pero debería atravesar los detectores como el viento atraviesa las hojas. A veces, muy raramente, una partícula de materia oscura roza el núcleo de un átomo, y entonces el detector debe captar ese empujón. El problema es que las partículas ligeras de materia oscura apenas pueden mover núcleos pesados: es como intentar derribar un bolo lanzándole una pluma.

17 supernovas de la muestra ZTF DR2 se encendieron antes de lo previsto. En las primeras horas y días después de la explosión, emitieron más luz de la que predicen los modelos estándar. Los astrónomos lo comparan con una mecha: antes de que el destello cegador desgarre el cielo, una lucecita precursora recorre las capas externas.

Una enorme piscina de líquido transparente se esconde en las profundidades de la Tierra. No contiene nada más que un 'caldo' purísimo que emite un débil destello cuando una partícula invisible lo atraviesa. Este es el detector JUNO, 20 000 toneladas de centelleador líquido, construido para la caza de neutrinos.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo colapsa, generando una supernova y emitiendo una lluvia omnipresente de neutrinos.

Un cristal del tamaño de una caja de cerillas se colocó bajo el haz de un acelerador clínico. La mitad de su superficie se cubrió con un patrón de nanoprotrusiones, diminutas, más pequeñas que la longitud de onda de la luz. La otra mitad se dejó lisa. La diferencia fue sorprendente: la parte recubierta produjo una señal 4,1 veces más brillante.

En algún lugar del bulbo galáctico duerme una estrella masiva, lista para cambiar su apacible combustión por un colapso. Su núcleo agotará el combustible y, en una fracción de segundo, nacerá una estrella de neutrones o un agujero negro, expulsando 10⁵⁸ neutrinos —casi toda la energía de la explosión—.

El haz de una linterna dirigido a través de un vidrio esmerilado se convierte en una mancha difusa con cada milímetro adicional de grosor. Algo similar ocurre con los centelleadores: materiales que convierten los rayos X en luz visible. Son la base de las imágenes médicas, la inspección de equipaje y los detectores en aceleradores.

La luz deja huella incluso cuando apenas existe. Un fotón individual, un diminuto paquete de energía, incide sobre una oblea de silicio y libera un puñado de electrones. El problema es que ese puñado es demasiado pequeño para ser detectado. Se necesita un amplificador.

En 1987, los astrónomos vieron el destello de una supernova en una galaxia vecina: la Gran Nube de Magallanes. Fue un regalo poco común: la explosión ocurrió lo bastante cerca como para captar no solo la luz, sino también los neutrinos (partículas casi imposibles de detectar que atraviesan la Tierra de lado a lado).

La corteza de una estrella de neutrones no es una simple capa sólida. Bajo un peso de miles de millones de toneladas por cada centímetro cuadrado, los átomos pierden electrones y los núcleos restantes se ordenan en una rígida red cristalina que recuerda a un panal, pero de materia un billón de veces más densa que el acero.

En lo profundo de la montaña japonesa Ikeno, un tanque contiene cincuenta mil toneladas de agua ultrapura. En él se capturan neutrinos —partículas fantasma que atraviesan la Tierra de lado a lado, casi sin notarla. Cuando una estrella explota en nuestra galaxia, los neutrinos llegan primero, horas antes que la luz.

Una linterna lejana brilla a través de un cristal irregular. El cristal desvía los rayos y, en lugar de una sola lucecita, en la pared aparecen varias: unas más brillantes, otras más tenues. De manera parecida, una galaxia masiva curva la luz de una estrella que ha explotado. La explosión fue una sola, pero en las imágenes se ven cuatro puntos luminosos.

Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan el planeta como la luz atraviesa el cristal de una ventana. Cada segundo, miles de millones de estas partículas pasan a través de la uña de tu meñique, pero atrapar aunque sea una no es tarea fácil. Para ello, en Canadá se excavó una mina de dos kilómetros de profundidad y se instaló allí el detector SNO+.

Dentro de un finísimo hilo de polímero se encuentran atrapados cristales microscópicos llamados centelladores. Cuando una partícula radiactiva invisible choca contra ellos, estos centellean por un instante, como luciérnagas. Un sensor sensible detecta cada destello, convirtiendo el hilo en un detector flexible.

El agua corriente en un vaso es transparente y tranquila. Pero si le añades diminutos puntos de carbono hechos con azúcar y ácido cítrico en un microondas normal, el agua empieza a brillar cuando una partícula cargada la atraviesa.

En un tanque oscuro de treinta toneladas, el agua brilla cuando una partícula fantasma la atraviesa. El neutrino casi no interactúa con la materia, pero de vez en cuando choca con los átomos y entonces se produce un destello. Para atraparlo, se añade al agua una sustancia especial: un centelleador líquido que amplifica la luz.

En el futuro detector de neutrinos habrá millones de cubos diminutos de plástico, cada uno del tamaño de un dado. Brillan cuando una partícula fantasma los atraviesa, y ese destello hay que capturarlo y medirlo. Pero si el cubo está torcido, tiene una rebaba o un agujero fuera de lugar, la señal se distorsiona y el detector empieza a mentir.

Una diminuta partícula fantasma atraviesa un trozo de germanio. Normalmente no deja rastro, pero a veces, como una bola de billar, golpea el núcleo de un átomo. El núcleo rebota y ese empujón se puede detectar. En Oak Ridge, en el laboratorio nacional, el detector Ge-Mini estuvo captando esos rebotes durante dos años. Los neutrinos son las partículas conocidas más escurridizas.

Un detector de materia oscura se parece a un micrófono muy sensible que escucha el silencio. Capta diminutos golpes de calor, los fonones, que se producen cuando una partícula roza el cristal. Pero en lugar de silencio, los instrumentos han estado oyendo ruido durante años: una multitud de señales débiles por debajo de unos pocos cientos de electronvoltios.

El nitruro de boro hexagonal es un cristal delgado, pariente del grafito, pero transparente y dieléctrico. En su red cristalina a veces aparecen defectos puntuales: falta un átomo de boro o de nitrógeno, y en su lugar se forma una trampa para electrones. Esa trampa puede absorber luz y reemitirla, como una diminuta linterna.

Los neutrones no dejan rastro en el vidrio común: lo atraviesan como la luz a través de un cristal de ventana. Pero hay materiales que, al encontrarse con una partícula, emiten un destello débil. Así funciona un centelleador: una sustancia que convierte la radiación invisible en luz visible. El nuevo vidrio transparente SG101 es uno de esos materiales.

Hay una tormenta lejana y el contador Geiger ya chasquea más a menudo. Así nos lo recuerdan los rayos cósmicos: un flujo de partículas cargadas procedentes de las profundidades del espacio.

En una enorme sala oscura se busca a una única persona que apenas emite sonidos. Así cazan los físicos a los neutrinos estériles: partículas fantasma que atraviesan la materia sin dejar casi rastro. En el centro acelerador japonés J-PARC se encuentra el experimento JSNS².

Un trozo de plástico denso del tamaño de una moneda destella cuando una partícula invisible lo atraviesa. Así funcionan los centelleadores: materiales que convierten la radiación en luz débil. Por lo general, se fabrican con cristales frágiles o polímeros caros.

En el interior de una estrella moribunda, ocho veces más pesada que el Sol, unos días antes de la explosión final comienza una fiebre silenciosa. El núcleo de la estrella se contrae y se calienta, y de él escapan neutrinos, partículas diminutas que apenas interactúan con la materia.

Plomo antiguo, que permaneció en el fondo del mar durante dos mil años, se ha convertido en el corazón de un detector que busca la sustancia más esquiva del universo. Con él se cultivó un cristal transparente de wolframato de plomo de 13 gramos de masa y se enfrió casi hasta el cero absoluto.

Cuando una estrella masiva explota como una supernova, su material choca contra la envoltura circundante de polvo cósmico y gas, como contra un abrigo invisible. Del impacto nacen miríadas de neutrinos, partículas fantasmales que atraviesan planetas enteros sin desviarse.

Los electrones en un metal son como una multitud en el metro: cada uno va por su cuenta, pero ante el menor empujón todos se mueven a la vez. Los físicos llaman plasmón a esa oscilación colectiva del gas electrónico. En los superconductores, estas oscilaciones son especialmente importantes porque revelan cómo interactúan los electrones entre sí.

Los neutrinos son partículas fantasma: predichos por el Стандартной моделью, apenas interactúan con la materia. Atraparlos es como escuchar un susurro en medio del estruendo de una cascada.

Algunas supernovas superluminosas supernovas muestran una fuerte huella de oxígeno en la luz y se expanden rápidamente, otras no. Parecían fenómenos distintos. Pero la supernova PTF12dam rompió las reglas: a medida que aumentaba el brillo su huella de oxígeno cambiaba, pasando de un tipo a otro.

Un detector de ondas gravitacionales no solo capta el rumor de las fusiones, sino también el suave chapoteo cuando una estrella o una nube de gas se sumerge en un agujero negro supermasivo.

Una esfera de silicio de 166 nanómetros de diámetro flota en el haz de un láser infrarrojo. La presión es inferior a 10⁻⁸ mbar, y la temperatura de movimiento ronda los 10 milikelvin. Esto es más frío que la radiación cósmica de fondo.