Reacción beta doble y el secreto del neutrino


Otro proyecto interesantísimo en física de neutrinos que se podría llevar España.  Más concretamente el IFIC (Insituto de Física Corpuscular) que es un centro mixto entre el CSIC y la Universidad de Valencia.  En este caso sería participar en un experimento donde se comprobara si el neutrino es su propia antipartícula o no.  Esta es una pregunta con mucha historia que ha traído de cabeza a los físicos por muchos años.

La buena noticia la hemos visto en europapress.es.

En esta entrada vamos a explicar los fundamentos teóricos detrás de este proyecto y este problema.

Radiación ß

Existen un conjunto de procesos en lo que un núcleo emite un electrón o un positrón (la antipartícula de electrón). A estos procesos se les denomina reacciónes ß.  Dentro de las reacciones ß tenemos dos casos, la reacción \beta^- y la reacción \beta^+.

Reacción \beta^-

En términos básicos esta reacción se da cuando un neutrón se convierte en un protón emitiendo un electrón.

n\rightarrow p + e^-

Notemos que la carga eléctrica se conserva, es nula al principio y nula al final (la carga del protón es la opuesta a la del electrón).

Ojo que esto no quiere decir que dentro de un neutrón haya un protón y un electrón, este es un proceso físico donde literalmente el neutrón se transforma en un protón y un electrón, es decir, el electrón aparece como está permitido por las leyes de la cuántica.

Reacción \beta^+

En este caso lo que tenemos es un protón que se transforma en un neutrón y un positrón:

p\rightarrow n+e^+

Otra vez vemos que se conserva la carga.

Reacciones ß y neutrinos

Esto ya fue explicado en la entrada “A los neutrinos les gustan los balancines” pero aquí volvemos a explicar la cosa esta por comodidad.

Cuando uno estudia la energía con la que sale el electrón producido en un proceso \beta^- encuentra los siguiente:

Esto indica que el electrón no sale con una energía fija sino que tiene una distribución continua hasta un determinado valor.

Esto supone un problema porque en una reacción del tipo:

n\rightarrow p+e^-

el electrón debería de salir siempre con la misma energía. ¿Por qué?

Imaginemos que tenemos el neutrón en reposo en nuestro laboratorio y que decae en las dos partículas mencionadas, protón y electrón.  Por conservación de la energía los productos de la reacción deberían siempre de salir con la misma energía:

En nuestro laboratorio deberíamos de ver que cada trozo sale en la misma dirección en sentido opuestos (para que la suma del momento p=mv sea cero ya que el neutrón está en reposo en nuestro laboratorio) y por lo tanto el electrón siempre debería de salir con la misma energía cinética, es decir, deberíamos de encontrar una distribución de energía del tipo:

Así que lo que vemos es que esta reacción no debe de involucrar únicamente a dos partículas resultantes sino como mínimo a tres.  Con tres partículas podemos distribuir las energías de diferentes formas (la tercera partícula podrá salir con mayor o menor energía en cada caso) dando lugar al perfil energético del electrón que hemos presentado más arriba.

Pero lo que está claro es que esta partícula tiene que tener una serie de características:

a)  No puede tener carga, porque la carga ya está conservada en el proceso que define a la reacción beta.

b)  No puede ser de tipo barionico.  Recordemos que las partículas tienen una característica denominada número bariónico que se ha de conservar en las reacciones. El neutrón tiene número bariónico 1 y el protón también, por lo tanto la nueva partícula tiene que tener número bariónico 0 igual que el electrón. Por lo tanto eso implica que tiene que ser un leptón, es decir, que no siente la interacción nuclear fuerte. Estos conceptos han sido explicados en la entrada: “Partícula que bien te conservas“. Para más detalles sobre leptones y bariones y el resto de cosas mencionadas os recomendamos el minicurso de Partículas Elementales.

Entonces tenemos una partícula neutra en juego cuya masa no puede ser muy grande y que además sólo interactúa débilmente.  Acabamos de describir al neutrino.

Así pues las reacciones beta son en realidad:

n\rightarrow p+e^- +\bar{\nu}    (aquí se emite un antineutrino para asegurar la conservación del número leptónico, ver “Partícula que bien te conservas“)

p\rightarrow n+e^+ + \nu  (aquí se emite un neutrino para asegurar la conservación del número leptónico, ver “Partícula que bien te conservas“)

Por lo tanto, el estudio de las reacciones beta son interesantes para aprender cosas de los neutrinos.

Cosas nucleares

Las reacciones beta son procesos fundamentalmente nucleares (de hecho la reacción \beta^+ sólo se puede dar dentro de un núcleo porque un protón aislado no puede convertirse en un neutrón dado que el protón es el barión más ligero y no tiene suficiente energía como para convertirse en un neutrón (con mayor masa) y además generar un electrón y un neutrino).  Sin embargo, dentro del núcleo el protón puede obtener energía extra (a costa de la energía de enlace del núcleo, la debida a tener unidos protones y neutrones por la interacción fuerte) y producir tal proceso.  El neutrón por su parte puede producir la reacción \beta^- tanto aislado como en un núcleo.

Pero demos algunas nociones nucleares:

1.-  Los núcleos se identifican por el número de protones que tienen, a este número lo llamamos número atómico y lo representamos por Z.

2.-  Los núcleos contienen neutrones, al número de neutrones de un determinado núcleo lo representamos por N. Y el núcleo se caracteríza, además de por Z, por lo que llamamos el número másico representado por A y que no es más que la suma de protones y neutrones Z+N=A.

Entonces en una reacción \beta^- (un neutrón se transforma en un protón y en un electrón), el núcleo pasa de Z a Z+1 y A permanece constante (N pasa a N-1).

Para una reacción \beta^+ (un protón se transforma en un neutrón) tenemos que el núcleo pasa de Z a Z-1 y A permanece constate (N pasa a N+1).

A esto se llama transmutación nuclear porque si cambia el número atómico estamos convirtiendo un núcleo de un elemento químico en otro núcleo de otro elemento químico distinto. Recordemos que los elementos químicos vienen determinados por su número atómico:

Los números representados en la tabla son los números atómicos de los distintos elementos.

Ejemplos de transmutación:

Beta menos:  C^{135}_{55}\rightarrow B^{135}_{56}+e^- +\bar{\nu}

Beta mas:  Na^{22}_{11}\rightarrow Ne^{122}_{10}+e^+ +\nu

El superíndice indica el número másico A y el subíndice indica en número atómico Z.

Lo que tenemos que introducir aquí es el concepto de núcleos isóbaros que son aquellos que tienen la misma A (aunque diferente Z) que son los que pueden convertirse unos en otros por reacciones tipo beta.

Aquí tenemos una representación en función del número de Protones y Neutrones de los tipos de reacciones nucleares en un código de colores:

Aún hay más, la reacción doble beta

La reacción doble beta es aquella en la que en un núcleo se producen dos reacciones beta^-, es decir, dos neutrones se convierten en protones.

Está claro lo que uno espera aquí, tenemos dos reacciones Beta menos así que esperamos que salgan dos electrones y dos antineutrinos.

Pues sí, pero entonces alguien, Ettore Majorana y dijo que la teoría de la radiación beta (lo que hemos explicado arriba) seguiría siendo válido si el neutrino y el antineutrino fuera la misma partícula.  Es decir, que el neutrino fuera su propia antipartícula (como el fotón es su propia antipartícula). El neutrino puede ser su propia antipartícula porque es una partícula neutra pero no tenemos constancia de que esto sea cierto, y ha sido estudiado por 75 años.

¿Por qué nos interesa la radiación doble beta para esto?

La cuestión es simple, si el neutrino fuera su propia antipartícula entonces se podría dar el caso de encontrar procesos doble beta donde no se emitan neutrinos de forma neta.  Esto es porque al producirse el proceso doble beta en el núcleo (dos neutrones se convierten en protones) en teoría producen dos antineutrinos, pero si son su propia antipartícula entonces hay la posibilidad de que se encuentren y se desintegren antes de salir del núcleo.

Por lo tanto estudiar experimentalmente la existencia de reacciones doble beta sin emisión de neutrinos arrojará luz sobre si el neutrino es su propia antipartícula o no.

Esto es muy importante porque nos responderá algunas cosas sobre por qué domina la materia sobre la antimateria, sobre el origen de los leptones, etc.

Así pues si España participa en este proyecto sin duda es una buena noticia.

Nos seguimos leyendo…

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11 Respuestas a “Reacción beta doble y el secreto del neutrino

  1. otras teorías sin probar! -habrá que descartar la desintegración sin neutrinos-

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  6. Entonces, a ver si lo he entendido. El experimento confirmaría que el neutrino es su propia antipartícula si y sólo si se ve una transmutación sin emisión alguna de neutrinos, ¿correcto?

    ¿Y no puede ser que no los veamos porque son esquivos? Habrá que tener cuidado de que no se dé esa situación, ¿no?

  7. Buena entrada.
    Ahora bien, si el neutrino es la misma partícula que el antineutrino, ¿esto siginifica que la misma partícula tiene dos números leptónicos?

    Te seguimos leyendo…

    • Es una magnífica pregunta. Y está claro que si el neutrino es de tipo Majorana (es su propia antipartícula) no podemos usar el número leptónico para distinguirlos porque en los procesos involucrados tendríamos una variación de dicho número de +2 o -2 unidades. En el ejemplo de la reacción doble beta empezamos con L=0 y terminamos con L=2. Así que hemos de admitir, de existir este caso, una violación del número leptónico.

  8. Muy buen artículo, como es de costumbre. Sin embargo quisiera mencionar que en el decaimiento doble beta, no es que el neutrino y el antineutrino se desintegren, en realidad se produce un antineutrino por un decaimiento beta, el que luego es absorbido (como si fuese un neutrino) por un neutrón causando un segundo decaimiento beta, por ello es que no hay neutrinos en el estado final, sólo dos electrones. El hecho que el neutrino y el antineutrino sean la misma partícula preservaría número leptónico en la segunda reacción, permitiendo que este proceso ocurra. Cabe también mencionar que dado que este proceso es en realidad la combinación de dos procesos, la probabilidad de que ocurra es bastante pequeña (el el producto de las probabilidades de los eventos por separado, la cual ya es pequeña).
    Saludos!

    • Sí, esa es una forma muy buena de verlo. Pero hemos decidido no emplear esa descripción por no introducir diagramas de Feynman y por no complicar la discusión con la reacción beta inducida por neutrino que es necesaria para entender la visión que tu estás dando. Pensaremos si ampliar la entrada para discutir esta visión.

      Muchas gracias por la puntualización.

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