Un neutrino es una partícula elemental que es muy similar a un electrón, pero no tiene carga eléctrica. Tiene una masa muy pequeña, que incluso puede ser cero. La velocidad del neutrino también depende de la masa. La diferencia en el tiempo de llegada de la partícula y la luz es 0,0006% (± 0,0012%). En 2011, durante el experimento OPERA, se descubrió que la velocidad de los neutrinos supera la velocidad de la luz, pero la experiencia independiente no lo confirmó.
La partícula escurridiza
Esta es una de las partículas más comunes del universo. Dado que interactúa muy poco con la materia, es increíblemente difícil de detectar. Los electrones y los neutrinos no participan en las interacciones nucleares fuertes, pero participan igualmente en las débiles. Las partículas con estas propiedades se llaman leptones. Además del electrón (y su antipartícula, el positrón), los leptones cargados incluyen el muón (200 masas de electrones), el tau (3500 masas de electrones) y sus antipartículas. Se les llama así: electron-, muon- y tau-neutrinos. Cada uno tiene un componente antimaterial llamado antineutrino.
Muon y tau, como un electrón, tienen partículas que los acompañan. Estos son los neutrinos muón y tau. Los tres tipos de partículas son diferentes entre sí. Por ejemplo, cuando los neutrinos muónicos interactúan con un objetivo, siempre producen muones, nunca tau o electrones. En la interacción de las partículas, aunque se pueden crear y destruir electrones y electroneutrinos, su suma permanece invariable. Este hecho conduce a la división de los leptones en tres tipos, cada uno de los cuales tiene un leptón cargado y un neutrino que lo acompaña.
Se necesitan detectores muy grandes y extremadamente sensibles para detectar esta partícula. Por lo general, los neutrinos de baja energía viajarán muchos años luz antes de interactuar con la materia. En consecuencia, todos los experimentos en tierra con ellos se basan en medir su pequeña fracción interactuando con registradores de tamaño razonable. Por ejemplo, en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, que contiene 1000 toneladas de agua pesada, alrededor de 1012 neutrinos solares por segundo pasan por el detector. Y solo se encuentran 30 al día.
Historial de descubrimientos
Wolfgang Pauli postuló por primera vez la existencia de una partícula en 1930. En ese momento surgió un problema porque parecía que la energía y el momento angular no se conservaban en la desintegración beta. Pero Pauli señaló que si se emite una partícula de neutrino neutral que no interactúa, se observará la ley de conservación de la energía. El físico italiano Enrico Fermi desarrolló la teoría de la desintegración beta en 1934 y le dio su nombre a la partícula.
A pesar de todas las predicciones, durante 20 años los neutrinos no pudieron detectarse experimentalmente debido a su débil interacción con la materia. Como las partículas no son eléctricamentecargadas, no se ven afectadas por las fuerzas electromagnéticas y, por lo tanto, no provocan la ionización de la materia. Además, reaccionan con la materia solo a través de interacciones débiles de fuerza insignificante. Por lo tanto, son las partículas subatómicas más penetrantes, capaces de atravesar una gran cantidad de átomos sin provocar ninguna reacción. Solo 1 de cada 10 mil millones de estas partículas, que viajan a través de la materia una distancia igual al diámetro de la Tierra, reacciona con un protón o un neutrón.
Finalmente, en 1956, un grupo de físicos estadounidenses encabezados por Frederick Reines anunció el descubrimiento del antineutrino electrónico. En sus experimentos, los antineutrinos emitidos por un reactor nuclear interactuaron con protones para formar neutrones y positrones. Las firmas de energía únicas (y raras) de estos últimos subproductos proporcionan evidencia de la existencia de la partícula.
El descubrimiento de los leptones muónicos cargados se convirtió en el punto de partida para la posterior identificación del segundo tipo de neutrino: el muón. Su identificación se llevó a cabo en 1962 a partir de los resultados de un experimento en un acelerador de partículas. Los neutrinos muónicos de alta energía fueron producidos por la desintegración de pi-mesones y enviados al detector de tal manera que pudieran estudiarse sus reacciones con la materia. Aunque no son reactivas, como otros tipos de estas partículas, se ha comprobado que en las raras ocasiones en que reaccionan con protones o neutrones, los muones-neutrinos forman muones, pero nunca electrones. En 1998, los físicos estadounidenses Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinbergerrecibió el Premio Nobel de Física por la identificación del neutrino-muón.
A mediados de la década de 1970, la física de neutrinos se repuso con otro tipo de leptones cargados: tau. El neutrino tau y el antineutrino tau resultaron estar asociados con este tercer leptón cargado. En 2000, físicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores. Enrico Fermi reportó la primera evidencia experimental de la existencia de este tipo de partículas.
Misa
Todos los tipos de neutrinos tienen una masa mucho menor que la de sus contrapartes cargadas. Por ejemplo, los experimentos muestran que la masa del electrón-neutrino debe ser inferior al 0,002 % de la masa del electrón y que la suma de las masas de las tres especies debe ser inferior a 0,48 eV. Durante muchos años parecía que la masa de una partícula era cero, aunque no había pruebas teóricas convincentes de por qué debería ser así. Luego, en 2002, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury proporcionó la primera evidencia directa de que los neutrinos electrónicos emitidos por reacciones nucleares en el núcleo del Sol cambian de tipo a medida que viajan a través de él. Tales "oscilaciones" de neutrinos son posibles si uno o más tipos de partículas tienen una masa pequeña. Sus estudios de la interacción de los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre también indican la presencia de masa, pero se requieren más experimentos para determinarla con mayor precisión.
Fuentes
Las fuentes naturales de neutrinos son la desintegración radiactiva de elementos en las entrañas de la Tierra, en la quese emite una gran corriente de electrones-antineutrinos de baja energía. Las supernovas también son un fenómeno predominantemente de neutrinos, ya que solo estas partículas pueden penetrar el material superdenso producido en una estrella que colapsa; sólo una pequeña parte de la energía se convierte en luz. Los cálculos muestran que alrededor del 2% de la energía del Sol es la energía de los neutrinos producidos en las reacciones de fusión termonuclear. Es probable que la mayor parte de la materia oscura del universo esté formada por neutrinos producidos durante el Big Bang.
Problemas de física
Los campos relacionados con los neutrinos y la astrofísica son diversos y se desarrollan rápidamente. Las cuestiones actuales que atraen un gran número de esfuerzos experimentales y teóricos son las siguientes:
- ¿Cuáles son las masas de los diferentes neutrinos?
- ¿Cómo afectan a la cosmología del Big Bang?
- ¿Oscilan?
- ¿Pueden los neutrinos de un tipo transformarse en otro mientras viajan a través de la materia y el espacio?
- ¿Son los neutrinos fundamentalmente diferentes de sus antipartículas?
- ¿Cómo colapsan las estrellas y forman supernovas?
- ¿Cuál es el papel de los neutrinos en la cosmología?
Uno de los problemas más antiguos de particular interés es el llamado problema de los neutrinos solares. Este nombre se refiere al hecho de que durante varios experimentos en tierra realizados durante los últimos 30 años, se observaron consistentemente menos partículas de las necesarias para producir la energía emitida por el sol. Una de sus posibles soluciones es la oscilación, es decir, la transformación deneutrinos en muones o tau mientras viaja a la Tierra. Dado que es mucho más difícil medir neutrinos muón o tau de baja energía, este tipo de transformación podría explicar por qué no observamos el número correcto de partículas en la Tierra.
Cuarto Premio Nobel
El Premio Nobel de Física 2015 fue otorgado a Takaaki Kajita y Arthur McDonald por su descubrimiento de la masa del neutrino. Este fue el cuarto premio de este tipo relacionado con mediciones experimentales de estas partículas. Algunos podrían preguntarse por qué debemos preocuparnos tanto por algo que apenas interactúa con la materia ordinaria.
El hecho mismo de que podamos detectar estas partículas efímeras es un testimonio del ingenio humano. Dado que las reglas de la mecánica cuántica son probabilísticas, sabemos que aunque casi todos los neutrinos atraviesan la Tierra, algunos de ellos interactuarán con ella. Un detector lo suficientemente grande como para detectar esto.
El primer dispositivo de este tipo se construyó en los años sesenta en lo profundo de una mina en Dakota del Sur. La mina se llenó con 400 mil litros de líquido de limpieza. En promedio, una partícula de neutrino al día interactúa con un átomo de cloro, convirtiéndolo en argón. Increíblemente, Raymond Davis, que estaba a cargo del detector, ideó una manera de detectar estos pocos átomos de argón y cuatro décadas más tarde, en 2002, recibió el Premio Nobel por esta asombrosa proeza técnica.
Nueva astronomía
Debido a que los neutrinos interactúan tan débilmente, pueden viajar grandes distancias. Nos dan la oportunidad de mirar hacia lugares que de otro modo nunca veríamos. Los neutrinos descubiertos por Davis fueron producidos por reacciones nucleares que tuvieron lugar en el mismo centro del Sol, y pudieron escapar de este lugar increíblemente denso y caliente solo porque apenas interactúan con otra materia. Incluso es posible detectar un neutrino volando desde el centro de una estrella en explosión a más de cien mil años luz de la Tierra.
Además, estas partículas hacen posible observar el universo a una escala muy pequeña, mucho más pequeña de lo que puede observar el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, que descubrió el bosón de Higgs. Es por esta razón que el Comité Nobel decidió otorgar el Premio Nobel por el descubrimiento de otro tipo de neutrino.
Misteriosa desaparición
Cuando Ray Davis observó los neutrinos solares, encontró solo un tercio del número esperado. La mayoría de los físicos creían que la razón de esto era un escaso conocimiento de la astrofísica del Sol: quizás los modelos del interior de la estrella sobreestimaron la cantidad de neutrinos producidos en ella. Sin embargo, a lo largo de los años, incluso cuando los modelos solares mejoraron, la escasez persistió. Los físicos llamaron la atención sobre otra posibilidad: el problema podría estar relacionado con nuestra comprensión de estas partículas. Según la teoría prevaleciente entonces, no tenían masa. Pero algunos físicos han argumentado que las partículas en realidad tenían un infinitesimalmasa, y esta masa era la razón de su escasez.
Partícula de tres caras
Según la teoría de las oscilaciones de neutrinos, existen tres tipos diferentes de neutrinos en la naturaleza. Si una partícula tiene masa, a medida que se mueve, puede cambiar de un tipo a otro. Tres tipos - electrón, muón y tau - al interactuar con la materia se pueden convertir en la partícula cargada correspondiente (electrón, muón o tau leptón). La "oscilación" se produce debido a la mecánica cuántica. El tipo de neutrino no es constante. Cambia con el tiempo. Un neutrino, que comenzó su existencia como un electrón, puede convertirse en un muón y luego volver. Así, una partícula formada en el núcleo del Sol, en su camino hacia la Tierra, puede convertirse periódicamente en un muón-neutrino y viceversa. Dado que el detector Davis solo podía detectar neutrinos electrónicos capaces de conducir a la transmutación nuclear de cloro en argón, parecía posible que los neutrinos perdidos se hubieran convertido en otros tipos. (Resulta que los neutrinos oscilan dentro del Sol, no de camino a la Tierra).
Experimento canadiense
La única forma de probar esto era construir un detector que funcionara para los tres tipos de neutrinos. Desde la década de 1990, Arthur McDonald de la Universidad Queen's Ontario ha dirigido el equipo que hizo esto en una mina en Sudbury, Ontario. La instalación contenía toneladas de agua pesada prestadas por el gobierno canadiense. El agua pesada es una forma rara pero natural de agua en la que el hidrógeno, que contiene un protón,reemplazado por su isótopo más pesado, el deuterio, que contiene un protón y un neutrón. El gobierno canadiense almacenó agua pesada porque se utiliza como refrigerante en los reactores nucleares. Los tres tipos de neutrinos podían destruir el deuterio para formar un protón y un neutrón, y luego se contaron los neutrones. El detector registró aproximadamente tres veces el número de partículas en comparación con Davis, exactamente el número que predijeron los mejores modelos del Sol. Esto sugirió que el neutrino electrónico podría oscilar en sus otros tipos.
Experimento japonés
Al mismo tiempo, Takaaki Kajita de la Universidad de Tokio estaba haciendo otro experimento notable. Un detector instalado en una mina en Japón registró neutrinos provenientes no de las entrañas del Sol, sino de la atmósfera superior. Cuando los protones de los rayos cósmicos chocan con la atmósfera, se forman lluvias de otras partículas, incluidos los neutrinos muónicos. En la mina, convirtieron núcleos de hidrógeno en muones. El detector Kajita podía ver partículas que venían en dos direcciones. Algunos cayeron desde arriba, provenientes de la atmósfera, mientras que otros se movieron desde abajo. El número de partículas era diferente, lo que indicaba su diferente naturaleza: estaban en diferentes puntos de sus ciclos de oscilación.
Revolución en la ciencia
Todo es exótico y sorprendente, pero ¿por qué las oscilaciones y las masas de neutrinos atraen tanta atención? La razón es simple. En el modelo estándar de física de partículas desarrollado durante los últimos cincuenta años del siglo XX,que describió correctamente todas las demás observaciones en aceleradores y otros experimentos, los neutrinos deberían haber sido sin masa. El descubrimiento de la masa del neutrino sugiere que f alta algo. El modelo estándar no está completo. Los elementos que f altan aún no se han descubierto, ya sea a través del Gran Colisionador de Hadrones u otra máquina aún por crear.
