Radioactive contamination in neutrino experimental physics: The cases of next and super-kamiokande experiments

Resumen

El Modelo Standard (SM por sus siglas en inglés) de interacciones fundamentales tiene en su partícula más ligera, el neutrino, la llave para abrir la puerta hacia una más profunda comprensión de las leyes de las interacciones fundamentales. Sin embargo, debido a su baja sección eficaz de interacción, es muy difícil obtener información sobre ellos. Los interrogantes fundamentales que se nos presentan son: el valor exacto de la masa y la jerarquía de los neutrinos, el valor de los parámetros de mezcla y, en particular, la posible presencia de significativa violación de la paridad CP en el sector leptónico. Además, tenemos la pregunta fundamental sobre la naturaleza del neutrino: Majorana o Fermi, o lo que es lo mismo, si el neutrino es su propia antipartícula o no. La comunidad científica está desarrollando numerosos experimentos para conseguir resolver estas cuestiones, estando la mayoría de ellos en laboratorios subterráneos para maximizar la visibilidad de las señales de los neutrinos. Esta tesis está centrada en dos de estos experimentos, NEXT, un experimento de desintegración doble beta sin neutrinos, ‘double beta zero neutrino’ (2b0n); y también Super-Kamiokande, un detector de neutrinos y de decaimiento de protones. NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) es un experimento de 2b0n diseñado para estudiar si el neutrinos es una partícula de Majorana. Este tipo de experimentos es el único conocido que puede resolver esta pregunta. Este tipo de desintegración es un caso especial que se produce en núcleos que no pueden decaer vía b pero si son capaces de hacerlo dos veces simultáneamente. Debido a que los neutrinos se aniquilan mutuamente, toda la energÃa de la reacción (que se corresponde a la diferencia de masas entre el núcleo padre y el hijo) es emitida en los electrones. En el caso del isótopo empleado en NEXT, el 136Xe, esta energía es de 2458 keV. Por lo tanto, NEXT busca en delgado pico con esa energía en el espectro de la energía total de los dos electrones emitidos. Sin embargo, la contaminación radioactiva que podemos encontrar en los distintos materiales pueden darnos falsos eventos y eso hace que sea totalmente necesario reducir y cuantificar el correspondiente fondo radioactivo de cada uno de los componentes del detector hasta unos valores aceptables. Los isótopos más influyentes para NEXT son 208Tl y 214Bi, los cuales emiten fotones al desintegrarse con unas energías mu cercanas a la señal de 2b0n. Super-Kamiokande (Super Kamioka Nucleon Decay Experiment) es un detector Cherenkov de agua diseñado para buscar la desintegración del protón y la detción de neutrinos producidos desde fuentes tanto cósmicas como terrestres. Con 50.000 toneladas de agua ultrapura, este detector puede observar con claridad la luz Cherenkov producida por partículas cargadas con suficiente energía; en particular, aquellas producidas después de la interacción con neutrinos. Sin embargo, es básicamente imposible saber si lo que se ha observado es un neutrino o un antineutrino. SuperK-Gd (previamente llamado GADZOOKS!) es una mejora del experimento SK en la cual adquiere la capacidad de detectar neutrones con alta eficiencia. Esta detección de neutrones conduce a Super-Kamiokande a un escenario lleno de nuevas e importantes medidas por hacer para la Física, mejorando también aquellas que ya estaban en su programa científico. La idea consiste en disolver en muy baja concentración una sal de Gadolinio (Gd2(SO4)3) en el agua de SuperKamiokande. Algunos de los isótopos del Gadolinio tienen una enorme sección eficaz de captura de neutrones térmicos, emitiendo después de la captura una cascada de fotones con una energía en total de unos 8 MeV, que serán medidos por el detector SK. Debido a que la sal va a estar distribuida uniformemente por toda el agua del detector, las contaminaciones radioactivas que encontremos en la misma son todo un problema: las desintegraciones que se puedan producir señales a baja energía que pueden comportarse de manera parecida a una captura de neutrones. Por lo tanto, como pasa en NEXT, la presencia de isótopos radioactivos debe verse reducida hasta llegar a unos mínimos aceptables, y además, cuantificando con precisión el valor de esta contaminación.