Experimento del Neutrino, de Cowan y Reines

A partir del estudio del decaimiento beta así como del decaimiento del neutrón, en la década de 1930, era evidente que debía estar presente una tercera partícula. Pero como esa partícula llamada neutrino, no tenía carga y casi sin masa, era difícil de detectar. A mediados de la década de 1950, a Frederick Reines y Clyde L. Cowan Jr., se les ocurrió un experimento para verificar la existencia del neutrino. Hicieron uso del hecho de que en los reactores nucleares se esperaba que produjeran flujos de neutrinos del orden de 10¹²-10¹³ neutrinos por segundo por cm², muy superiores a cualquier flujo alcanzable a partir de fuentes radiactivas.

El decaimiento de neutrones y otros eventos de decaimientos beta, producen antineutrinos electrónicos. Esos antineutrinos deben interactuar con los protones para producir neutrones y positrones.

Los positrones encuentran rápidamente electrones y producen dos rayos gamma por aniquilación del par, un evento muy distintivo en el que se puede detectar simultáneamente los dos rayos gammas de 0,5 MeV en direcciones opuestas. Pero Reines y Cowan se dieron cuenta de que la detección de los gammas coincidentes de la aniquilación del par, no era bastante prueba de detección de neutrinos por esta reacción. Ellos dispusieron el dispositivo para detectar los neutrones de la reacción, así como para confirmar la ocurrencia de esta reacción.

Los fotones gamma se detectaron poniendo un material centelleante en un tanque de agua. El centellador produjo destellos de luz visible en respuesta a los fotones gamma, y esa luz se detectó mediante tubos fotomultiplicadores. Los neutrones se detectaron poniendo cloruro de cadmio en el tanque detector. El cadmio es un fuerte absorbente de neutrones, y debido a eso encuentra uso en las barras de control de los reactores nucleares. Cuando absorbe un neutrón, el ¹⁰⁸Cd produce el ¹⁰⁹Cd de estado excitado, que posteriormente emite un rayo gamma.

El dispositivo experimental fue tal, que los rayos gamma adicionales por este proceso, se detectaron dentro de aproximadamente 5 x 10^-6 segundos después de los rayos gamma de la aniquilación del par e⁺-e^-. Esto proporcionó una firma distintiva de la reacción del neutrino -el par gamma coincidente más otro gamma dentro de 5 μs.

Después de un experimento preliminar en Hanford, Reines y Cowan llevaron el experimento a la Planta de Savannah River, cerca de Augusta, Georgia, donde tenían una mejor protección contra los rayos cósmicos. Esta ubicación apantallada estaba a 11 m del reactor, y 12 m bajo tierra. En el experimento de 1956 utilizaron dos tanques con un total de aproximadamente 200 litros de agua con aproximadamente 40 kg de CDCl₂ disuelto. Los tanques de agua se intercalaron entre tres capas de centelladores, que contenían 110 tubos fotomultiplicadores de 5 pulgadas. Después de meses de recopilación de datos, acumularon información que daba sobre cerca de tres neutrinos por hora. Como confirmación adicional de que estaban viendo eventos de neutrinos del esquema de detección descrito anteriormente, pararon el reactor para mostrar que había una diferencia en el número de eventos detectados. Habían predicho una sección transversal de la reacción de aproximadamente 6 x 10^-44 cm² y su sección transversal medida fue de 6,3 x 10^-44 cm². Sus resultados se publicaron en 1956. Frederick Reines fue honrado con el Premio Nobel en 1995 por su trabajo sobre la física de neutrinos.

Documentación original:
"Detection of the Free Neutrino: A Confirmation", C. L. Cowan, Jr., F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse and A. D. McGuire, Science 124, 103 (1956).

"The Neutrino", Frederick Reines and Clyde L. Cowan, Jr., Nature 178, 446 (1956).