Experimento soviético-estadounidense sobre el galio

SAGE ( Experimento Soviético-Estadounidense de Galio , o a veces Experimento Ruso-Estadounidense de Galio ) es un experimento colaborativo ideado por varios físicos prominentes para medir el flujo de neutrinos solares .

SAGE fue diseñado para medir el flujo de neutrinos solares mediante un método radioquímico basado en la desintegración beta inversa (más estrictamente, captura electrónica inversa), una reacción nuclear entre un átomo de galio (Ga) y un neutrino (ν) que produce un electrón y un átomo de germanio (Ge): ⁷¹ Ga${\displaystyle +\nu _ {e}\rightarrow e^{-}+}$⁷¹ Ge . El objetivo de la reacción eran 50-57 toneladas de galio líquido almacenadasa 2100 m (6900 pies) bajo tierra en el Observatorio de Neutrinos de Baksan en las montañas del Cáucaso en Rusia . El laboratorio que contiene el experimento se llama Laboratorio del Telescopio de Neutrinos de Galio-Germanio (GGNT), siendo GGNT el nombre del aparato SAGE. Aproximadamente una vez al mes, el germanio producido por neutrinos se extrae del galio. ⁷¹ Ge es inestable con respecto a la captura de electrones (con una vida media de 11,468 días), y por lo tanto la cantidad de germanio extraído se puede determinar a partir de su actividad medida en pequeños contadores proporcionales .  

El experimento comenzó a medir la tasa de captura de neutrinos solares con el blanco de galio en diciembre de 1989 y continuó hasta agosto de 2011 con solo algunas breves interrupciones. En 2013, se describió el experimento como "en continuación" ^{[ 1 ]} , con los últimos datos publicados de agosto de 2011. A partir de 2014, se afirmó que SAGE continuaba con extracciones una vez al mes ^{[ 2 ]} , y el experimento estuvo en curso en 2016 y 2017 ^{[ 3 ] [ 4 ].}

El experimento midió el flujo de neutrinos solares en 168 extracciones entre enero de 1990 y diciembre de 2007. El resultado del experimento basado en el conjunto de datos de 1990 a 2007 es:65,4 +3,1 −3,0 ( estad. ) ^+2,6 _{− 2,8} ( sist. ) SNU . Esto representa solo el 56–60% de la tasa de captura predicha por diferentes modelos solares estándar , que predicen 138 SNU. La diferencia concuerda con las oscilaciones de neutrinos .

La colaboración ha utilizado una fuente de neutrinos de 518 kCi de ^51Cr para probar el funcionamiento experimental. La energía de estos neutrinos es similar a la de los neutrinos solares de berilio-7 , lo que permite una verificación ideal del procedimiento experimental. Las extracciones para el experimento de cromo se realizaron entre enero y mayo de 1995 y el conteo de las muestras duró hasta el otoño. El resultado, expresado como una relación entre la tasa de producción medida y la tasa de producción esperada, es:1,0 ± 0,15 . Esto indica que la discrepancia entre las predicciones del modelo solar y la medición del flujo SAGE no puede ser un artefacto experimental.

En 2003-2004, se creó una fuente de neutrinos de argón-37 mediante la irradiación de óxido de calcio en el reactor BN-600, seguida de la separación química del argón . Se realizó un experimento de calibración con ella del 30 de abril al 27 de septiembre. La producción resultante de ⁷¹ Ge se calculó en 2005 en un 79% de lo esperado, ^{[ 5 ]} lo que confirmó una estimación anterior (1998) de uno de los experimentos GALLEX (otro dio resultados indistinguibles del 100%, de forma similar al experimento Cr en SAGE). ^{[ 6 ] [ 7 ]} Esta discrepancia pronto se conoció como la anomalía del galio .

Tras el informe de la anomalía en 2006, los físicos comenzaron a explorar posibles explicaciones para el déficit observado. Un análisis de 2007 ^{[ 8 ]} examinó los datos dentro de marcos de mezcla de dos y tres neutrinos , considerando la posibilidad de que los neutrinos electrónicos oscilaran en un hipotético neutrino estéril . Para 2009, una investigación exhaustiva sobre posibles errores experimentales había verificado la eficiencia de la extracción química de germanio, los procedimientos de conteo y las técnicas de análisis de datos, descartando errores experimentales significativos. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Esto reforzó la evidencia de la anomalía e impulsó la investigación hacia posibles nuevas leyes físicas más allá del modelo estándar de tres neutrinos. Una revisión de 2013 combinó los resultados del galio con datos de experimentos de antineutrinos de reactores , argumentando a favor de un patrón consistente de desaparición de (anti)neutrinos electrónicos en líneas de base cortas y destacando la necesidad de mediciones más precisas y experimentos específicos para confirmar o refutar definitivamente la interpretación del neutrino estéril. ^{[ 7 ]}

En 2014, el aparato GGNT del experimento SAGE se actualizó para realizar un experimento de oscilación de neutrinos de línea de base muy corta, el experimento Baksan sobre transiciones estériles (BEST), con una fuente artificial de neutrinos intensa basada en ^51Cr . ^{[ 11 ]} En 2017, el aparato BEST se completó, pero faltaba la fuente artificial de neutrinos. ^{[ 3 ]} A partir de 2018, el experimento BEST estaba en marcha, ^{[ 12 ]} y se estaba considerando un experimento de seguimiento, BEST-2, en el que la fuente se cambiaría a zinc-65 . ^{[ 13 ]} Utiliza dos cámaras de galio en lugar de una, para determinar mejor si la anomalía podría explicarse por la distancia a la fuente de los neutrinos. ^{[ 14 ]}

En junio de 2022, el experimento BEST publicó dos artículos que observaban un déficit del 20-24% en la producción del isótopo germanio esperado a partir de la reacción.${\displaystyle {}^{71}{\text{Ga}}+\nu _{e}\rightarrow e^{-}+{}^{71}{\text{Ge}}}$, confirmando resultados previos de SAGE y GALLEX sobre la llamada anomalía del galio y señalando que una explicación de neutrinos estériles puede ser consistente con los datos. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} Trabajos posteriores han refinado la precisión de la sección transversal de captura de neutrinos en 2023 ^{[ 18 ]} que se propuso como una posible fuente de inexactitud en 1998, ^{[ 19 ]} así como la vida media del ⁷¹ Ge en 2024, ^{[ 20 ]} descartándolas como posibles explicaciones para la anomalía. ^{[ 14 ]}

A lo largo de su historia, SAGE ha estado dirigida por los siguientes físicos :

• Vladimir Gavrin (líder del experimento desde 2017))
• Georgiy Zatsepin ( Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Rusia)
• Thomas J. Bowles ( Los Álamos )

• Hans Bethe , arquitecto de la teoría de las reacciones de fusión nuclear en las estrellas.
• La Universidad de Washington realiza análisis estadísticos de los datos de SAGE y ayuda a determinar la incertidumbre sistemática.

• Abdurashitov, JN; et  al. (2009). "Medición de la tasa de captura de neutrinos solares con galio metálico. III. Resultados para el período de toma de datos 2002–2007". Physical Review C . 80 (1) 015807. arXiv : 0901.2200 . Bibcode : 2009PhRvC..80a5807A . doi : 10.1103/PhysRevC.80.015807 . S2CID 118782386 . 

• La página web del experimento de la Universidad de Washington
• Página antigua (1994) con los resultados de los experimentos.
• Algunos resultados (2001) (en ruso)
• Hans Bethe hablando sobre SAGE (vídeo)
• Registro del experimento SAGE en INSPIRE-HEP

43°16′32″N 42°41′25″E / 43.27556°N 42.69028°E / 43.27556; 42.69028