Este año tengo la suerte de volver a colaborar con Pa ciència, la nostra en la sección de física «La Centrípetadora». Y para estrenar la temporada «centripetesca» con buen pie, hemos explicado el Premio Nobel de Física de 2015 concedido a los descubridores del ligerillo problema de identidad que tienen los Neutrinos.

Los galardonados del Premio Nobel de Física de este año son Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald “por el descubrimiento de la oscilación de neutrinos, lo que muestra que estas partículas poseen masa”. Kajita es profesor en la Universidad de Tokio en Japón y McDonald es profesor en Queen’s University en Canadá. Tal y como indicaron en el anuncio del premio, su confirmación de que los neutrinos son partículas con masa «ha transformado nuestra comprensión sobre el comportamiento más interno de la materia y puede ser crucial para entender el universo».

NATURALEZA NEUTRINOS

En el modelo estándar en el que vienen caracterizados los componentes de la materia, los neutrinos se clasifican como leptones debido a que no experimentan la interacción fuerte. A su vez, su carencia de carga eléctrica hace que tampoco estén sometidos a la interacción electromagnética. Por tanto, la física que los describe es la de la interacción débil y son tremendamente huidizos.

Los neutrinos son la segunda especie más abundante del universo después de los fotones. Cada segundo, cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo es atravesado por 61.000.000.000 neutrinos solares al tiempo que en nuestro interior producimos 5000 neutrinos por el decaimiento de un isótopo del potasio. Es decir, que estamos rodeados de una barbaridad de neutrinos. Pero, aun así, se tardó mucho en dar con ellos debido a su pequeño poder de interacción.

Otra característica de los neutrinos es la existencia de diferentes tipos o sabores. Se conocen tres: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico, asociados a cada uno de los leptones cargados: el electrón, el muón y el tau. Siempre que un neutrino se produce o se detecta, cuenta con un sabor determinado.

HISTORIA NEUTRINOS

Los neutrinos fueron predichos con el fin de resolver la aparente violación de los principios de conservación de energía y momento que presentaba la desintegración beta, proceso mediante el cual el núcleo busca un mayor grado de estabilidad. Las partículas beta obtenidas no cuentan con valores discretos de energía sino que muestran un espectro continuo y, en la mayoría de ocasiones, su energía no compensa la masa perdida por el núcleo.

El primer intento de justificar la anomalía observada en el patrón de energías lo formuló Niels Bohr. Planteó algo tan atrevido como que el principio de conservación de la energía y del momento no se cumplía a nivel subatómico. Años más tarde, en 1930, Wolfgang Pauli propuso “una salida desesperada” que no violaba el principio de conservación. Predijo la existencia de una partícula hipotética neutra muy difícil de detectar que tomaba parte de la energía de la desintegración beta. Finalmente, tres años más tarde, Enrico Fermi denominó a la partícula neutrino y le proporcionó un firme desarrollo teórico.

DESCUBRIMIENTO EXPERIMENTAL

Frederick Reines y Clyde Cowan

Al ser tan difíciles de detectar, su descubrimiento conllevó gran dificultad experimental. Finalmente, quienes llevaron a cabo la proeza en 1956 fueron Clyde Cowan (que no pudo recibir el Nobel a título póstumo) y Fred Reines (Premio Nobel de Física en 1995).

Su detector consistía en un tanque de agua con cadmio y un detector de rayos gamma. Se basaba en que la interacción de un antineutrino en el tanque, transformaría un protón en un neutrón emitiendo un positrón (desintegración beta inverso). Por un lado, el positrón se aniquilaría rápidamente con un electrón de los átomos de agua emitiendo rayos gamma. Por el otro, el neutrón sería capturado, una fracción de segundo después, por el cadmio con la consiguiente emisión de rayos gamma. Por lo tanto, la señal del antineutrino en el detector sería la detección de emisiones de rayos gamma separadas por una fracción de segundo.

DISCREPANCIAS EXPERIMENTALES

Los neutrinos, postulados y descubiertos, se creía que no tenían masa hasta que los experimentos empezaron a dar problemas.

En los años 60, el físico teórico John Bahcall estimó la cantidad de neutrinos producidos en las reacciones nucleares del centro del Sol que debían llegar a la Tierra. Pero, cuando el físico-químico Ray Davis procedió a su medición, obtuvo sólo el 34% de los neutrinos esperados según los cálculos de Bahcall. Agunos achacaron la discrepancia, que pasó a conocerse como el problema de los neutrinos solares, a la complejidad del experimento de Davis mientras que otros dudaron de la capacidad de Bahcall para calcular la física del interior del Sol.

Décadas más tarde, en Japón, físicos del experimento Kamiokande observaron que sólo un 60% de los neutrinos creados en la atmósfera por la interacción de las partículas de la radiación cósmica, llegaban al detector. A esta diferencia entre teoría y experimento se le denominó el problema de los neutrinos atmosféricos.

Durante mucho tiempo se analizaron ambos problemas hasta postular la más atrevida de las teorías: tanto los cálculos como las mediciones eran correctas, pero los neutrinos, al contrario de lo que se creía hasta entonces, poseían masa.

OSCILACIONES

Si los neutrinos poseían masa podían experimentar un suceso muy curioso durante su propagación. Como se ha dicho en un principio, al originarse y detectarse un neutrino posee un sabor determinado: es electrónico, es muónico o es tauónico pero al propagarse durante un cierto tiempo puede transformarse en un neutrino de otro sabor. Este fenómeno se denomina oscilación de neutrinos y permite resolver los dos problemas que incomodaban a los físicos de neutrinos.

Los neutrinos creados en las reacciones termonucleares del interior del Sol, sólo pueden ser electrónicos puesto que las reacciones sólo involucran núcleos atómicos y electrones. El detector de Ray Davis sólo podía medir neutrinos electrónicos, por ello, si los neutrinos electrónicos oscilaban durante su viaje a neutrinos muónicos y/o neutrinos tau, el detector no podía observarlos dando como resultado un déficit de neutrinos. De forma análoga, en la atmósfera se producen dos neutrinos muónicos por cada neutrino electrónico y, en caso de producirse oscilación, podrían transformarse en neutrinos de otro sabor modificando la proporción y la cantidad observada.

Lo que ocurre es que los neutrinos se propagan en tres estados de masa definida: neutrino 1, neutrino 2 y neutrino 3, que corresponden a tres mezclas cuánticas de los tres sabores de los neutrinos. Es decir, cuando los neutrinos se crean o se detectan tienen sabor definido pero carecen de una masa determinada mientras que cuando se propagan cuentan con una masa definida pero están formados por una mezcla de sabores. Este es el motivo de que su identidad oscile durante su vuelo.

LA DEMOSTRACIÓN EXPERIMENTAL

Experimento Super-Kamiokande

El experimento Kamiokande fue reemplazado por una versión mayor llamada Super-Kamiokande. Takaaki Kajita lideró el grupo de investigación de los neutrinos atmosféricos y en 1998, anunciaron el resultado que confirmaba la oscilación de los neutrinos resolviendo el problema de los neutrinos atmosféricos.

El detector de neutrinos Super-Kamiokande (también llamado Super-K o simplemente SK) se encuentra en una mina de zinc de Kamioka, a unos 250 kilómetros al noroeste de Tokio. Está ubicado un kilómetro bajo la montaña y consiste en un tanque de agua cilíndrico de 40 metros de altura y 40 metros de diámetro que contiene unas 50 mil toneladas de agua ultrapura. Las paredes internas del recipiente están completamente cubiertas por 11000 detectores de luz (fotodetectores) que detectan la luz de Cherenkov emitida por los muones de alta energía que atraviesan el tanque de agua a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el agua. Estos muones son resultado de la interacción de los neutrinos muónicos de la atmósfera con los núcleos atómicos del tanque de agua.

Si no hubiese oscilación se esperaría recibir el mismo número de neutrinos por arriba (que atraviesan la montaña y recorren unos 12 km) y por debajo (que atraviesan el diámetro completo de la Tierra y recorren unos 12.000 km) ya que para los neutrinos la Tierra es transparente. Sin embargo, se observó que el número de neutrinos muónicos detectados desde arriba era mayor que el de neutrinos que tenían que atravesar el globo. Eso indicaba que los neutrinos muónicos que habían recorrido una mayor trayectoria habían tenido más tiempo para cambiar de identidad y no habían sido detectados.

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

Ante el éxito de Super-Kamiokande, se pasó a verificar si la oscilación de neutrinos podría explicar el problema de los neutrinos solares. El experimento dirigido por Arthur B. McDonald está ubicado en una mina de níquel en Ontario. Está formado por una esfera de 18 metros de diámetro rellena con mil toneladas de agua pesada. En la superficie de la esfera hay 9500 fotomultiplicadores. A diferencia de SK, SNO es capaz de detectar tanto la cantidad de neutrinos electrónicos como la suma de los tres tipos de neutrinos juntos. Por lo tanto, si ambas cantidades no coinciden, significa que parte de los neutrinos electrónicos han oscilado. En 2001, el equipo de SNO publicó que había observado que el 66% de los neutrinos emitidos por el Sol llegaban como neutrinos muónicos y neutrinos tau. Además, la suma de todos los sabores de neutrinos detectados confirmaba la predicción teórica de John Bahcall.

Las colaboraciones Super-Kamiokande y SNO descubrieron que los neutrinos oscilan y, como consecuencia, tienen masa. Esta oscilación también ha sido confirmada en experimentos con neutrinos creados en aceleradores de partículas y reactores nucleares.

El valor de las masas de los estados neutrino 1, neutrino 2 y neutrino 3, es otra de las incógnitas de estas partículas tan peculiares. Pero nos quedan otras cuestiones por resolver como su interacción con el campo de Higgs o si son fermiones de Majorana (en cuyo caso los neutrinos y los antineutrinos son partículas idénticas) o de Dirac (en cuyo caso los neutrinos y antineutrinos son partículas diferentes).

Los neutrinos son mis partículas favoritas y creo que ya han abierto la puerta a la nueva física.

¿CUANTOS NEUTRINOS HAY EN UNA “KAJITA DE MCDONALDS” (HAPPY MEAL)?

Una caja de Happy Meal está atravesada por miles  de millones de neutrinos pero queremos saber en un determinado instante cuántos neutrinos hay dentro. Tomando el flujo de neutrinos solares, que está calculado en la entrada de Jorge Díaz “¿Cuántos neutrinos hay en una caja?”, de 61.000.000.000 neutrinos solares/cm²*s y suponiendo que viajan a la velocidad de la luz (sabemos que al tener masa viajan a una velocidad ligeramente inferior), se obtiene que, en cada instante hay 2 neutrinos/cm³ de caja.

Teniendo en cuenta que una caja de Happy Meal tiene un volumen de 3402 cm³, podemos afirmar que cada instante contiene 6804 neutrinos.

¡No os perdáis el audio del programa!

BIBLIOGRAFÍA

Premio Nobel de Física 2015: oscilación de neutrinos de Jorge Díaz

¿Cuántos neutrinos hay en una caja? de Jorge Díaz

Premio Nobel de Física 2015: Kajita (SuperKamiokande) y McDonald (SNO) por la oscilación de los neutrinos de Francis Villatoro

Un nobel débil y oscilante de Enrique F. Borja