¿Está el neutrino? Que se ponga


gilaEl neutrino es esa partícula que es capaz de contarnos los secretos del universo a base de susurros.  Es esa partícula que un día consideramos indetectable y que ahora la lanzamos en cañones.  El neutrino es la clave para muchas respuestas y la llave para las preguntas más emocionantes a las que nos vamos a tener que enfrentar en física en los próximos años.    Todo eso y más es el neutrino.

Pero en esta ocasión vamos a hablar sobre la posibilidad de usar esas partículas como canal de comunicación. Esta entrada está inspirada en las charlas que he tenido el placer de escuchar de Juan José Gómez Cadenas (@JuanJoseGomezC1).  Juan José es un físico especialista en física de neutrinos de reconocimiento mundial, ahora desarrolla su investigación y su docencia en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC – @IFICorpuscular), centro mixto del CSIC (@CSIC) y de la Universidad de Valencia.  Además de físico se dedica a juntar letras, y ciertamente lo hace con estilo y con criterio, sus obras las podéis encontrar mencionadas aquí.  Además es uno de los autores de la publicación  Jot Down Spain.  Y si todo ello no fuera suficiente, ahora está a la cabeza de uno de los experimentos mejor situados para dilucidar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es, el experimento NEXT (@NEXT100Exp).

En las charlas a las que me refería Juan José hablaba de neutrinos, del experimento y dejaba en el aire un comentario – No sabemos si hay otros seres en la galaxia, pero tal vez, de haberlos, se estén comunicando por una wifi de neutrinos.  Lo malo es que nosotros aún no hemos conectado con la red -, (interpretación libre de este que escribe).  Pero lo mejor es escuchar a Juanjo, así que aquí tenéis la charla que dio en el evento ciencia de Jot Down en Sevilla el pasado mes de junio:

En esta entrada vamos a intentar entender cómo es eso de que podemos comunicarnos a través de las “indetectables” partículas neutrínicas y qué tan lejos estamos de conseguirlo.  Lo de relacionarnos con otros seres de la galaxia lo dejaremos para un futuro.

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El neutrino

Actualmente entendemos la composición de partículas del universo como un esquema denominado Modelo Estándar.  Dicho modelo tiene tal entidad teórica y experimental que podemos decir con orgullo que es una de las cosas más sólidas de la ciencia.  El modelo estándar se divide en varios tipos de partículas:

  1. Los quarks, que son las partículas que sienten la interacción fuerte. Por ejemplo, son dos quarks, el up y el down los que forman protones y neutrones.
  2. Los leptones, que son partículas que no sienten la interacción fuerte.  El miembro más conocido de esta familia es el electrón.  Los neutrinos pertenecen a esta clase de partículas.
  3. Los bosones intermediarios, que son las partículas que transmiten las interacciones, electromagnética, débil y fuerte.
  4. El bosón de Higgs, cuya interacción con el resto de partículas del modelo las dota de masa o no (en el caso del fotón y los gluones).
modeloestandar

Ilustración de Raquel García Ulldemolins

El neutrino fue una partícula propuesta por Pauli para explicar la confusa pérdida de energía que se producía en un proceso denominado radiación beta.  En este proceso un neutrón se desintegra emitiendo un electrón y un protón.  Dado que la energía no se comportaba como se esperaba, Pauli introdujo una nueva partícula que llevaba la energía que faltaba por explicar.  Se puede decir que esta fue una solución a la desesperada ya que el propio Pauli aceptaba que dicha partícula no se podría detectar jamás, lo cual alejaba de la ciencia su propuesta.

Carta de Pauli a una reunión científica donde explicaba la solución al problema de la desintegración beta introduciendo una nueva partícula indetectable.  No pudo acudir a la reunión porque tenía un baile.

Carta de Pauli a una reunión científica donde explicaba la solución al problema de la desintegración beta introduciendo una nueva partícula indetectable. No pudo acudir a la reunión porque tenía un baile.

La carta y su traducción del alemán al inglés.

Hoy sabemos muchas cosas del neutrino y desconocemos muchas otras.  Permitidme una pequeña lista:

  • El neutrino es una partícula neutra y de espín semientero de valor 1/2, como el electrón y el resto de leptones.
  • El neutrino tiene masa.  (Para más información:  A los neutrinos les gustan los balancines)
  • El neutrino interactúa muy poco con otros tipos de partículas.

Dado que el neutrino es neutro, no tiene cargas, y dado que sabemos que por cada partícula aparece una antipartícula asociada, resulta que el neutrino puede ser su propia antipartícula.  Las partículas y sus antipartículas asociadas tienen la misma masa y mismo espín pero las cargas opuestas en signo. Dado que el neutrino es neutro, cabe la posibilidad de que sea su propia antipartícula, pero también cabe la posibilidad de que no lo sea. Esta es una pregunta que nos interesa mucho responder porque tiene la clave de muchas cuestiones esenciales para la composición y comportamiento de nuestro universo.

Además sabemos que el neutrino existe en tres variedades, los neutrinos están asociados al resto de leptones.  Es decir, los electrones tienen asociados neutrinos electrónicos, los muones tienen asociados neutrinos muónicos y los tau tiene asociados neutrinos tauónicos. Esto lo sabemos porque ser electrónico, muónico o tauónico significa que solo aparecen los correspondientes tipos de neutrinos en reacciones que involucren solo electrones, muones o taus.

En una reacción en la que se crea un neutrino por parte de un electrón solo aparecen neutrinos electrónicos y así sucesivamente.

Pero una vez creados, supongamos que hemos creado neutrinos muónicos, estos neutrinos se propagan libremente y en su propagación se van convirtiendo en neutrinos de los otros tipos, esto es lo que se denomina oscilación del neutrino.  Comenzamos con un neutrino muónico y si lo dejamos evolucionar podemos encontrar un neutrino electrónico.  Este hecho es el que asegura que los neutrinos tienen masa, al menos que las diferencias de masa entre los tres tipos de neutrinos comentados no es nula.

El hecho de que los neutrinos sean de interacción muy débil hace que sean muy difíciles de detectar.  Como su tendencia a interactuar con otras partículas es muy pequeña tenemos que poner detectores enormes para intentar aumentar la probabilidad de interacción.  Afortunadamente, en la actualidad, podemos detectar neutrinos producidos en centrales nucleares, en el sol, extrasolares, etc. Hemos aprendido mucho a como detectar neutrinos en los últimos tiempos.

Detector de neutrinos en el experimento ICECUBE  (http://icecube.wisc.edu/)

Detector de neutrinos en el experimento ICECUBE. Miren las escalas, por ahí está la torre Eiffel.  (http://icecube.wisc.edu/)

Aún así, miles de neutrinos nos llegan desde todos los sitios posibles y nos atraviesan a nosotros y a toda la tierra sin despeinarse.  Los neutrinos tienen una asombrosa capacidad para pasar de nosotros.

De ser indetectables a construir cañones

La necesidad obliga y agudiza el ingenio.  A estas alturas de la película hemos aprendido a lanzar haces de neutrinos en una determinada dirección.  ¿Cómo podemos hacer eso con una partícula tan elusiva?

Fácil, nos ayuda la conservación del momento.  Veamos como construir un haz de neutrinos en una dirección:

  • Lanzamos un haz de protones contra un material muy denso tal que aseguremos que en la interacción piones.  Los piones son partículas formadas por un quark y su correspondiente antiquark.  Estas partículas se desintegran rápidamente en neutrinos y otras partículas cargadas.
  • Lo bueno es que por conservación de la energía y el momento, los piones producidos se moverán en la misma dirección que los protones que han impactado sobre el blanco (que está en reposo).  Así que si los protones van de izquierda a derecha, los piones se moverán en esa dirección y sentido, y sus productos de desintegración, neutrinos incluidos, también lo harán así.

El problema es que al final tenemos neutrinos, sí, pero también otras partículas cargadas que nos estorban para poder decir que tenemos un haz de neutrinos puro.

No pasa nada, si tienen carga no hay problema, primero ponemos un imán, el campo magnético curva las trayectorias de las partículas cargadas, las positivas en un sentido y las negativas en el contrario, y luego ponemos un campo eléctrico para atraerlas.  Al final tenemos un haz de partículas neutras, neutrinos, fotones, y otras cosas neutras.

No pasa nada tampoco, ponemos una pared gorda y opaca, y y todas las partículas neutras que no sean neutrinos se absorben.  Al final tenemos un lindo haz de neutrinos en una dirección determinada.

Aquí unas imágenes sobre la creación de haces de neutrinos tomadas de la página del profesor Matt Strassler:

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Con esto podemos lanzar neutrinos desde un punto hacia un detector, a través de tierra, mar y aire.  Hay muchos experimentos de este tipo, por ejemplo el famoso experimento OPERA.

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Entre el origen del haz y el detector de neutrinos hay unos 720km, por debajo de tierra, claro está.

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Ideas alocadas, comunicación galáctica por neutrinos

Hasta ahora toda la búsqueda de señales inteligentes de otras civilizaciones extraterrestres se ha fundamentado casi exclusivamente en la radiación electromagnética, fotones.  Y esto tiene varios problemas:

  • Los fotones se apantallan fácilmente por el material interestelar e intergaláctico.  Por lo tanto, por muy potente que sea la señal de partida, si pasa por sitios llenos de polvo o cuerpos opacos disminuirá mucho la señal.  Además los fotones tienen mucha tendencia a dispersarse, con lo que un haz colimado, muy fino dirigido hacia nosotros se esparcirá por el espacio con la consecuente pérdida de potencia.

Esto hace que detectar estas señales sea muy complicado y sea difícil distinguirlas del ruido ambiental.

Los neutrinos por su parte tienen varias ventajas:

  • Difícilmente se forman haces en una única dirección en un proceso natural.  Así que detectar un haz de neutrinos es una evidencia de manipulación inteligente.
  • Los neutrinos no se dispersa mucho y no de apantallan por la materia debido a su poca tendencia a la interacción.

Un estudio muy interesante sobre la posibilidad de la comunicación galáctica por neutrinos es el siguiente:

Galactic neutrino communication

En este trabajo se tocan aspectos sobre la energía razonable para transmitir, como transmitir, el coste energético y otros aspectos importantes para esta técnica.

¿Cómo de lejos estamos?

Antes de intentar comunicarnos con las estrellas usando neutrinos lo razonable sería comprobar que podemos usar estas partículas para comunicarnos entre nosotros.  Están en ello, en 2012 salió este trabajo realizado en Fermilab empleando un haz dirigido al detector MINER\nuA.  El trabajo es:

Demonstration of communication using neutrinos

En este artículo explican como generaron un haz de neutrinos pulsado para codificar una serie de bits y como fueron capaces de detectar el mensaje apropiadamente.  El haz de neutrinos recorrió más de mil kilómetros y unos 240m en el interior de la Tierra.  El error en la transmisión del mensaje no fue superior al 1%, lo que no está nada mal. Miren esta imagen:

mensajeneutrinos

Bastante impresionante.  Esto implica que estamos en disposición, con la tecnología actual, de tener un sistema de comunicaciones basada en los neutrinos.  Esto sería importante para situaciones en la que no es posible utilizar el electromagnetismo, por ejemplo en transmisiones con submarinos.

También abre la puerta a intentar detectar este tipo de mensajes de civilizaciones extraterrestres.  Pero todo se andará, tal vez el muñeco de la película debería de haber dicho:

extraterrestre

Claro que también podría haber dicho esto:

etbitacoras

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Nos seguimos leyendo…

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7 Respuestas a “¿Está el neutrino? Que se ponga

  1. Pingback: Un nobel débil y oscilante | Cuentos Cuánticos

  2. Parece que esto de los neutrinos se resiste, y no es tan fácil.

  3. Pingback: ¿Está el neutrino? Que se ponga |...

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  5. Antonio (AKA "Un físico")

    Enrique afirma que Gómez-Cadenas: “ahora está a la cabeza de uno de los experimentos mejor situados para dilucidar si el neutrino es su propia antipartícula o no lo es”.
    Pero si KamLAND-Zen almacena ya 700 kg de Xenon y Exo almacenará 5 toneladas, ¿podrá Gómez-Cadenas encontrar ese neutrinoless double beta decay con el Next en Canfranc conteniendo sólo 100 kg de xenon entre 2016 y 2020?. En las diapositivas de Gómez-Cadenas del ICHEP2014 él habla de que Next en el año 2020 llegaría a la tonelada de Xenon esperando bajar la cota de m_{beta beta} a 20meV. ¡Ojo!, ¡¡el año 2020!!: lo lamento, Enrique, pero tiene toda la pinta de que Gómez-Cadenas no será uno de los primeros en descubrir la naturaleza de los neutrinos.

  6. Una pregunta, puedes explicar en que se diferencian los distintos tipos de neutrinos. Aparentemente por lo que cuentas varían ligeramente de masa, pero esto es solo una susposición por mi parte.

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