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Agua para detectar neutrinos, el Premio Nobel de Física 2015

Neil-DeGrasse-super-kamiokande
El premio nobel de Física 2015 fue a parar a manos de Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por el descubrimiento de un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos. Es muy posible que no sepas en que consiste este efecto pero sí que te suene la palabra neutrino, sobre todo a raíz de la noticia que hace un tiempo apareció sobre que estas partículas podrían viajar más rápido que la luz en el vacío, algo que daría al traste con toda la física moderna y la teoría de la relatividad de Einstein. Al final se descubrió que fue un fallo en el equipo de medición, pero este hecho las hizo mundialmente famosas (a pesar de que ya contaban entonces con tres premios Nobel, este es el cuarto).

Sin entrar en muchos detalles, pues este no es un blog de física ni yo físico, un neutrino es una partícula sin carga eléctrica y de muy baja masa (antes se pensaba que no tenían masa) que apenas interacciona con la materia. Eso quiere decir que pueden atravesar por ejemplo el planeta de un extremo al otro sin ni siquiera reducir su velocidad. Por cada centímetro de tu piel ahora mismo están pasando 66.000 millones de neutrinos cada segundo y la probabilidad de interacción es tan baja que tu cuerpo solo interaccionará con uno cada 70 años.

Así de escurridizas son estas partículas, imagínate lo difícil que es detectarlas, ahí es donde entra en juego el agua.

Los ganadores del nobel son respectivamente los directores de dos experimentos de detección de neutrinos, el Super Kamiokande japonés y el Subdury Neutrinos Observatory canadiense, unas impresionantes infraestructuras que veremos a continuación.

Super Kamiokande

 

Es el detector de neutrinos más famoso. Recibe su nombre por la ciudad japonesa en la que se encuentra, Hida, antiguamente conocida como Kamioka, a 1.000 metros de profundidad en una mina. Consiste en un cilindro de 39.3 metros de diámetro y 41 metros de alto. Para aumentar la probabilidad de que los neutrinos interaccionen se necesita mucha materia, por eso (y otras razones que ahora veremos) está lleno con 50.000 toneladas de agua ultra-pura.

Las paredes están recubiertas por 11.200 fotomultiplicadores que son los encargados de detectar la luz resultante del efecto Cherenkov.

 Operarios en una barca hinchable en labores de mantenimiento de los fotomultiplicadores.

El efecto cherenkov

 Radiación de Cherenkov en el agua de un reactor nuclear.

Este efecto es análogo a cuando un objeto rompe la barrera del sonido, es decir que viaja a más velocidad que la del sonido en ese medio, normalmente el aire. Como vemos en la siguiente imagen al romperse la barrera de sonido se forma unas ondas de compresión en forma de cono y que nosotros oímos como un “estampido sónico”.

 Avión “rompiendo” la barrera del sonido. Onda de presión en forma de cono.

Cuando un neutrino interacciona con un átomo (en este caso del agua) puede provocar la emisión de una partícula cargada, como el electrón. Este electrón puede moverse más rápido que la velocidad de la luz en el agua “rompiendo” la barrera de la luz y provocando un cono de luz que hace que el agua se ilumine débilmente. Debido a la poca interacción de los neutrinos esta luz es muy tenue (no se enciende el detector como una bombilla me temo), de ahí la necesidad de los fotomultiplicadores. En el caso de los reactores nucleares la radiación es constante por lo que se puede observar ese brillo azul continuo a simple vista.

 Fotomultiplicador y evento de detección de un neutrino en el Super Kamiokande.

Para evitar que otras radiaciones que o sean los neutrinos, provoquen este efecto, se sitúan siempre los detectores a mucha profundidad, habitualmente en el interior de minas.

Una vez entendida un poco la delicadeza de los procesos que son necesarios para detectar un neutrino podremos entender la importancia de la pureza del agua y su tratamiento. Si el agua tuviese elementos ligeramente radiactivos o partículas que redujesen mínimamente su transparencia así como gases disueltos, se dificultaría o imposibilitaría la detección.

El sistema de purificación es extremadamente eficiente y sofisticado. Se trata de un sistema de recirculación cerrado que funciona continuamente desde su inauguración en 2002, con un caudal de tratamiento de 30 toneladas por hora, de modo que cada menos de dos horas toda el agua del detector es tratada completamente.

 

  1. Filtro de 1 µm. Elimina polvo y otras partículas que reducen la transparencia del agua y son una posible fuente de radón.
  2. Intercambiador de calor. Reduce la temperatura mejorando la detección de los fotomultiplicadores y reduciendo la posibilidad de proliferación de bacterias.
  3. Filtros de cartucho. Elimina los iones pesados que reducen la transparencia y pueden ser fuente de radiactividad. Reduce la resistividad del agua desde 11 MΩ a 18.24Ω, muy cercano al límite químico. Antes se usaba un filtro de resina de intercambio iónico pero se descubrió que era una fuente de radón.
  4. Filtro UV. Esteriliza el agua eliminando las bacterias que pudieran quedar.
  5. Tanque de disolución de aire libre de radón. Este proceso fue añadido con posterioridad para mejorar la eficiencia del paso 7.
  6. Ósmosis inversa. Elimina las partículas inferiores a 0.01 nm.
  7. Intercambiador de calor. Vuelve a reducir la temperatura que haya podido aumentar en el proceso.
  8. Desgasificador de vacío. Elimina los gases disueltos que producen problemas por su interacción con los neutrinos. La reducción del oxígeno disuelto reduce la posibilidad de proliferación de bacterias. Su eficiencia supera el 96%.
  9. Ultrafiltración. Elimina las partículas superiores a 10 nm que se hayan podido producir en las fases 7 y 8.
  10. Desgasificador de membrana. Elimina restos de gas radón disuelto con una eficiencia final para este gas del 83%.
  11. Tanque de reserva. Sirve de reserva de agua para apoyar todo el proceso y tratar restos de la depuración de otros procesos.
  12. Ósmosis inversa. Antes de reintroducir el agua del tanque de reserva se requiere una filtración muy fina.

 

Quizá te ayude este esquema para tener un orden de magnitud en los valores de los diferentes tamaños de filtración (1µm = 100nm).

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

sudbury-neutrino-observatory-esquema

Este detector de neutrinos consiste en una esfera de 17.8 metros de diámetro situada a 2.100 metros de profundidad en la mina Creighton, en Subdury, Ontario, Canadá. En vez de agua convencional se usa agua pesada, porque ésta tiene más probabilidades de interactuar con los neutrinos, encerrada en una esfera acrílica de 12 metros de diámetro y con una capacidad para 1.000 toneladas. Alrededor de este recipiente, hasta rellenar el detector, hay agua normal pura para darle flotación y como escudo anti-radiación.

 Estructura interna del SNO.

Fotomultiplicadores del SNO.

El agua pesada consiste en una molécula de agua pero que en lugar de tener hidrógeno con un solo protón en el núcleo (denominado protio), tiene hidrógeno con un protón y un neutrón en el núcleo (denominado deuterio). Si tuviese un protón y dos neutrones tendríamos tritio y podríamos construir un reactor de fusión para conseguir grandes cantidades de energía, como ya conté en este otro post, “La solución definitiva a la escasez de agua”.

El aspecto es el mismo que el del agua normal o también denominada “ligera”, pero es un 11% más densa. No es radiactiva, pero no es muy buena para los seres vivos, con más de un 50% de agua pesada en relación con el agua ligera, las plantas no sobreviven. En el agua que bebemos o en la que nos bañamos existe un pequeño porcentaje de agua pesada, pero es solo de un 0.016%. También existe la leyenda urbana, no sé si con alguna base o no, de que no quita la sed, así que si alguien consigue un poco que haga la prueba y comente.

Dos años después de su llenado le añadieron 2 toneladas de NaCl puro al agua pesada para mejorar la detección de un tipo de reacciones concreta (neutral current reaction NC).

Debido a los dos tipos de agua, tienen dos sistemas separados de tratamiento, uno para el D2O y otro para el H2O, que funcionaban continuamente en un circuito cerrado.

El experimento concluyó en el año 2006, pero sus datos siguen siendo útiles a día de hoy. Al finalizar, el agua pesada se devolvió, ya que solo era un préstamo de la agencia federal Canadiense AECL.

Como vemos, los sistemas de tratamiento de agua son mucho más avanzados de lo que estamos acostumbrados, sin ellos y sin el agua ninguno de estos experimentos hubiera sido posible.

Por si quieres saber más

Si te has quedado con ganas de conocer más sobre neutrinos, las diferencias entre un neutrino electrónico, muónico o tauónico y su oscilación, te recomiendo esta entretenidísima charla (apta para todos los públicos) del divulgador Enrique Fernández Borja (@Cuent_Cuanticos) donde conocí estos detectores y me inicié en el desconocido mundo de los neutrinos:

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