En esta ocasión volvemos a tener el honor de contar con la colaboración de mi buen amigo el Doctor en Física Álvaro Peralta, también conocido como Láserman. Su artículo es un auténtico regalo puesto que trata uno de los temas más apasionantes de la física: los neutrinos y la forma en la que los láseres pueden ayudarnos a conocerlos mejor. 

Aunque pueda resultar un poco presuntuoso, tengo la sensación de que la gente que nos dedicamos a la interacción láser-materia somos como el Señor Lobo de la película Pulp Fiction. ¿Tienes un problema que necesita solución? Muy fácil, llámanos. Resolvemos desde la incontinencia fecal (no es broma) hasta el micromecanizado de piezas con un alto valor añadido con una precisión inimitable, pasando por el borrado de tatuajes o los sistemas de detección de ultra trazas de narcóticos y/o explosivos. Pero en esta entrada me quiero detener en un proyecto especialmente ilusionante para nosotros, que aúna dos campos en principio sin ninguna relación como son la Física de Partículas y la Física de láseres. En concreto voy a intentar describir como los láseres pueden ayudar a responder las dos grandes preguntas de la Física de neutrinos: la jerarquía de masas y la naturaleza de estos.

La existencia de los neutrinos fue postulada por primera vez en 1930 por Wolfang Pauli para explicar la aparente no conservación de la energía en la desintegración beta (transformación de un neutrón del núcleo atómico en un protón más un electrón y un antineutrino). En 1956 Clyde Cowan, Frederick Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, and A. D. McGuire publicaron la confirmación experimental de la predicción teórica de Pauli.

Sin embargo aunque conozcamos la existencia de los neutrinos desde hace bastantes décadas y sean las partículas más abundantes en el Universo que conocemos, ¡6 10¹⁰ neutrinos atraviesan cada cm² de nuestro cuerpo cada segundo!, aún quedan muchas incógnitas que resolver. La principal razón de nuestra ignorancia es que los neutrinos al no tener carga eléctrica y ser extraordinariamente ligeros, no hace demasiados años aún se dudaba sobre si tenían o no masa, interaccionan de forma muy débil con la materia. Por ello, cualquier experimento relacionado con neutrinos es un auténtico “tour de force”.

Quizás las dos grandes preguntas de la Física de neutrinos, y muchos piensan que tras el descubrimiento del Bosón de Higgs estas son las grandes cuestiones de la Física de Partículas, que debemos resolver en la próxima década son la jerarquía de masas de los neutrinos y su naturaleza. Vayamos por partes.

 1.- Jerarquía de masas de los neutrinos

Si no fuera suficiente con la dificultad que ya tiene de por si detectar partículas tan ligeras sin carga eléctrica, la naturaleza ha ido un paso más allá y ha dotado a los neutrinos de una propiedad un tanto singular. Los neutrinos a medida que se propagan cambian su naturaleza.

Es decir, imaginemos que por ejemplo mandamos un neutrino electrónico a un observador. Durante el viaje, éste no medirá un neutrino electrónico sino una combinación de los distintos tipos de neutrinos. De forma técnica esto se conoce como oscilación de los neutrinos, y en 2015 se otorgó el premio Nobel de Física por el descubrimiento de este fenómeno.

Este fenómeno tiene como consecuencia que en los experimentos no podamos medir la masa individual de un tipo de neutrino determinado, siendo nuestro observable una combinación lineal de la masas de los distintos tipos. En consecuencia, es posible conocer con mucha precisión las diferencias de masas entre los distintos tipos de neutrinos, pero no su jerarquía. Es decir, no sabemos si existen dos neutrinos pesados y uno ligero, o por el contrario existen dos ligeros y uno pesado.

Para resolver esta cuestión un grupo de la Universidad de Okayama hizo hace unos años una propuesta sorprendente (RENP, radiative emission neutrino pairs, por ejemplo [1, 2]) aunando conceptos de óptica cuántica, interacción láser-materia, y física de partículas. La propuesta es rompedora no solo por su multidisciplinaridad, sino porque supondría, en caso de funcionar, un cambio de paradigma en los experimentos de Física de neutrinos. Ya no serían necesarios complejos y costosos montajes experimentales, siendo sustituidos por experimentos “table-top”, es decir experimentos que caben en una mesa óptica normal (típicamente 3.5 m x 1.5 m).

La teoría de RENP aunque no es excesivamente compleja, si resulta un poco tediosa de calcular. De una forma resumida RENP se basa en un esquema de niveles como el siguiente:

Tenemos un estado fundamental (ground), un estado excitado, y un estado metaestable. Las transiciones ópticas (a un fotón) entre el estado fundamental y el excitado, así como entre el excitado y el metaestable son permitidas, y la transición entre el metaestable y el fundamental prohibida. Sin embargo en Quantum Electrodynamics (QED) existe una probabilidad no nula, aunque bastante pequeña, de que un electrón en el estado metaestable se relaje al estado fundamental emitiendo un fotón y dos neutrinos. Estudiando el espectro de este fotón, es decir estudiando la energía, es posible obtener información muy valiosa sobre los neutrinos emitidos. Por ejemplo, podemos determinar su jerarquía de masas.

El problema que plantea esta técnica es que la sección eficaz, es decir, la probabilidad de que ocurra tal fenómeno, es miserable (del orden de 10^-34 s^-1). Tan miserable que con los instrumentos actuales es imposible medirlo. Pero no todo está perdido. La señal se puede amplificar si hacemos uso de la Mecánica Cuántica.

La primera idea que se nos puede ocurrir para amplificar la señal RENP es aumentar la densidad del target N. De esta forma amplificaríamos la señal, que escalaría como N, pero seguiría siendo insuficiente. Sin embargo, si podemos inducir un estado macrocoherente en el target, es decir, un estado de superposición cuántico entre los distintos átomos o moléculas del target, la señal escalaría como N² alcanzando, aunque con mucho esfuerzo, los límites de detección actuales. De forma técnica el fenómeno es muy parecido al fenómeno de superradiancia de Dicke [3]. La idea subyacente es que al inducir un estado de superposición coherente se maximiza la polarización del target y, por tanto, su respuesta no lineal.

De acuerdo a lo anterior, investigar la jerarquía de masas de los neutrinos “se resume” a conseguir un estado macrocoherente en un target lo suficientemente denso. Evidentemente la inducción de estados coherentes se hace mediante láseres y ya existen algunas propuestas al respecto como por ejemplo una nuestra J [4]. Aunque, a decir verdad, hoy por hoy las limitaciones técnicas todavía son enormes, y para comprobar el potencial real de RENP tendremos que esperar unos años.

2.- Naturaleza de los neutrinos

Los neutrinos, como fermiones que son, tienen antipartícula. Al no tener carga eléctrica existen dos posibilidades para los antineutrinos: que neutrino y antineutrino sean partículas distintas y entonces serían fermiones de Dirac, o que neutrino y antineutrino sean la misma partícula y entonces serían fermiones de Majorana. Por clarificar un poco los conceptos nos podemos fijar en otros fermiones como los electrones. Al tener el electrón carga eléctrica negativa la antipartícula del electrón, el positrón, que tiene carga eléctrica positiva es necesariamente una partícula distinta. Sin embargo para los neutrinos la cosa no está tan clara.

Actualmente existen distintos experimentos en el mundo (por ejemplo GERDA, KamLAND-Zen, o EXO-200) buscando responder esta respuesta. Uno de estos experimentos es NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) liderado por el científico español y buen amigo J.J. Cadenas @JuanJoseGomezC1.  NEXT se basa en el proceso de desintegración beta doble de núcleos de ¹³⁶Xe, por el que dos neutrones de forma simultanea se transforman en dos protones más dos electrones y dos antineutrinos que son emitidos por el núcleo. Este proceso aunque extremadamente improbable (“half life” del orden de 10²¹ años) se ha podido observar experimentalmente.

Sin embargo en el caso de que los neutrinos fueran fermiones de Majorana, antes de abandonar el núcleo existe la posibilidad de que uno de los antineutrinos se transforme en un neutrino aniquilándose con el antineutrino restante, produciéndose por tanto solo la emisión de los dos electrones. Este proceso se conoce como “neutrinoless double beta decay” siendo su “half life” del orden de 10²⁶-10²⁷ años y aún no se ha observado de forma experimental. Este es el proceso que busca la colaboración NEXT.

Como la probabilidad de que ocurran cualquiera de los dos procesos, decaimiento con neutrinos y sin neutrinos, es tan extremadamente baja, es necesario concentrar una enorme cantidad de átomos de ¹³⁶Xe y protegerse de cualquier fuente de ruido espurio. Es por esto que se utilizan materiales radiopuros para evitar la radioactividad natural (recordemos que la tierra es un planeta muy radioactivo y que las cadenas de desintegración del torio y del uranio tienen un periodo de semidesintegración de “solo” 10⁹ años), y el experimento se llevará a cabo en el laboratorio subterráneo de Canfranc para protegerlo lo más posible de la radiación cósmica. Aún así, el nivel señal/ruido esperado sigue siendo demasiado bajo dificultando mucho cualquier descubrimiento.

No obstante, existe una posibilidad, muy difícil pero ahí está, de hacer el experimento “background free” y poder así discriminar sin margen de error entre un falso positivo y una desintegración real. Todo se basa en que en cada proceso de desintegración del ¹³⁶Xe se produce un átomo de bario. Por tanto, si fuéramos capaces de correlacionar la señal eléctrica producida por los electrones con la detección del átomo de bario podríamos rechazar todos los falsos positivos ya que estos producirían exclusivamente una señal eléctrica, por ejemplo debido a la ionización de un átomo de xenón por un rayo cósmico, y nunca un átomo de bario.

A la idea general de localizar el bario se le conoce como “Barium tagging” BaTa y, salvando las distancias, es como el Santo Grial para este tipo de experimentos. Se llevan más de 20 años intentando diversas técnicas para localizar este único (!) átomo de bario en unas 10 atmósferas de presión de átomos de xenón. Nuestro “approach” al problema es usar láseres. Más concretamente una técnica llamada LIF “light induced fluorescence”. A grandes rasgos la idea es iluminar el átomo de bario con luz láser azul y recoger la fluorescencia de los niveles excitados en el rojo. Esta técnica es muy utilizada en Física atómica y molecular pero en este caso todo se complica por las condiciones experimentales. ¡El verdadero problema es que tenemos que localizar un solo átomo!

Aunque la empresa es muy difícil tengo, tenemos, muchas esperanzas depositadas en esta idea. Quizás pueda resultar un poco presuntuoso pensar, ¿os acordáis del Señor Lobo al principio del post?, que después de tanto tiempo persiguiendo BaTa un grupo de físicos irreductibles de una pequeña aldea lo va a conseguir. Pero hay que ser osados ¿no? Además creo que es la primera vez que este problema de BaTa se afronta desde el campo de la Física atómica y no desde la Física de partículas lo cual aporta nuevas ideas y técnicas que seguramente no han sido exploradas.

Parafraseando al genial pintor francés Paul Gauguin:

“El arte (La Ciencia) es solo plagio o revolución”

Si tenéis cualquier duda, o queréis más detalles estaré encantado de ampliar la información de este post en los comentarios.

NOTAS

[1] «Neutrino Spectroscopy with Atoms and Molecules». Atsushi Fukumi, Susumu Kuma, Yuki Miyamoto, Kyo Nakajima, Itsuo Nakano, Hajime Nanjo, Chiaki Ohae, Noboru Sasao, Minoru Tanaka, Takashi Taniguchi, Satoshi Uetake, Tomonari Wakabayashi, Takuya Yamaguchi, Akihiro Yoshimi and Motohiko Yoshimura. arXiv:1211.4904v1.

[2] «Conditions for Statistical Determination of the Neutrino Mass Spectrum in Radiative Emission of Neutrino Pairs in Atoms». Ningqiang Song, R. Boyero Garcia, J. J. Gomez-Cadenas, M. C. Gonzalez-Garcia, A. Peralta Conde, and Josep Taron. arXiv:1510.00421.

[3] R.H. Dicke Phys. Rev. 93, 99, 1954.

[4] «A novel technique to achieve atomic macro-coherence as a tool to determine the nature of neutrinos». R. Boyero, A. V. Carpentier, J.J.Gomez-Cadenas, A. Peralta Conde. arXiv:1510.04852.