Neutrino history, what’s NEXT? — ¿Neutrinos?


neutrinonext

Físicos del IFIC de Valencia cacharreando con el objetivo de hacer confesar al neutrino.

Esta es algo que he tenido muchas ganas de escribir desde hace un tiempo pero que nunca he hecho.  Pero, cosas de la vida, ha salido el siguiente artículo:

The NEXT experiment

Este artículo presenta el presente y el futuro de un experimento bellísimo que, de salir todo como se espera, podrá arrojar luz sobre muchos problemas fundamentales que tenemos a la hora de entender nuestro universo.  El artículo ha sido escrito por Juan José Gómez Cadenas que, como he dicho alguna vez por algunos sitios, es un tipo al que hay que seguirle la pista.

En mi opinión, ese experimento, junto con otros acerca de los nuetrinos, nos van a abrir nuevas ventanas en el entendimiento de la física fundamental a todos los niveles.  Así que vamos a hacer una revisión, explicada en los términos más llanos posibles, de la historia de los neutrinos.

Introducción

Esta entrada la vamos a dedicar a explicar la necesidad que tuvieron los físicos para postular la existencia de los neutrinos.

Conservación de la energía

La energía ni se crea ni se destruye

Ninette y un señor de Murcia

La energía es un concepto del que hablamos mucho pero que no nos paramos a pensarla muy a menudo.    La energía no es más que un número con unas ciertas unidades, Julios, electrovoltio, ergios y otras tantas.  El aspecto más importante de la energía es que:

La energía de un sistema aislado se conserva

Si estudiamos un sistema en el que no hay interacciones con el exterior, no hay flujos de energías entrando o saliendo, no hay fuerzas actuando desde el exterior, etc, lo llamamos un sistema aislado.   Ese sistema puede estar compuesto por diversos constituyentes, podrá interactuar entre ellos, podrán colisionar, podrán aparecer o desaparecer (cuánticamente hablando), podrán convertirse unas cosas en otras, etc.  Pero lo que nos dice la física es que la magnitud denominada energía es constante, es la misma en todo instante de tiempo.

Esta claro que en el interior del sistema los constituyentes hacen cosas, unos ganarán energía y otros la perderán.  Pero la suma de todas las energías tiene que ser una constante.

Así cuando estudiamos un proceso, la energía inicial y la energía final tienen que ser la misma.  Da igual que hayamos partido de un conjunto de partículas y hayamos acabado con otro conjunto distinto de partículas.  El caso es que la energía antes y después tiene que ser la misma.

¿Por qué tiene que ser eso así? ¿Qué obliga a la energía a conservarse?

La razón que hay detrás de la conservación de la energía es:

La conservación de la energía es la forma que tiene la naturaleza de decirnos que la física es la misma hoy que ayer y que mañana.

Es decir, nosotros construimos un aparato, digamos un ordenador.  Ese ordenador ha sido construido en un momento determinado usando las leyes de la física que controlan el movimiento de electrones en sus circuitos, el almacenaje de energía en sus baterías, los campos magnéticos que graban información en sus discos duros, etc.  Presuponemos que dichas leyes funcionarán de la misma forma da igual cuando las pongas a prueba, por lo tanto el ordenador funcionará hoy, mañana, pasado, …  (Quien dice ordenador, dice microondas, móvil, reloj de cuerda, la gravedad que nos pega al suelo, y lo que se os ocurra)

Si las leyes de la física no cambian con el tiempo entonces hay una magnitud denominada energía que se conserva en los sistemas aislados.  Es así de simple, es así de hermoso.

Reacción beta

estructura_es

La materia está compuesta por átomos.  Los átomos consisten en un núcleo central compuesto a su vez de protones y neutrones y de un conjunto de electrones que están ligados al núcleo por la interacción electromagnética.  Esto es debido a que los protones y electrones tienen la misma carga pero opuesta en signo, los electrones tienen carga eléctrica negativa y los protones la tienen positiva.  Los neutrones por su parte son eléctricamente neutros. Además sabemos que protones y neutrones están compuestos por quarks.

Lo interesante es que los núcleos atómicos son objetos simples de describir en palabras pero muy complicados a la hora de describirlos física y matemáticamente.  Son sistemas con una dinámica muy rica. Entre otras cosas los protones y neutrones que los conforman pueden sufrir procesos de cambio de identidad, es decir, un neutrón se puede convertir en un protón.

Un momento, ¿qué significa eso?

Bueno, en el ámbito cuántico las partículas pueden aparecer y desaparecer siempre que haya suficiente energía como para llevar a cabo el proceso.  Y sí, aparecen y desaparecen, literalmente.  Pero estos procesos tienen ciertas restricciones, uno de ellas es, como podréis intuir por lo discutido hasta ahora, que la energía inicial y final del proceso sea la misma.  Otra cuestión importante es que la carga eléctrica se tiene que conservar también, es decir, si empiezo con una carga nula inicialmente, al final del proceso la suma de cargas tiene que ser cero.  Tal vez sea mejor ir dando pequeños pasos.

1.-  Tenemos un neutrón.

Un neutrón

Un neutrón

2.-  Descubrimos que la física nuclear nos dice que un neutrón tiene tendencia a convertirse en un protón.  De hecho, neutrones individuales aislados tienen una vida media de 15 minutos, eso quiere decir que si empiezo con 100 neutrones sueltos a los 15 minutos la mitad se habrán convertido en protones.

neutronaprotonSe puede observar como la masa del protón es un poco inferior a la masa del neutrón, así que el proceso de conversión de neutrón a protón es posible y puede ser espontáneo, el neutrón tiene energía de sobra (la masa no es más que energía) para poder convertirse en un protón.

Y cuando decimos convertirse nos referimos a esto:

neutronaprotonanim

3.-  Pero ahora caemos en la cuenta de que inicialmente tenemos una carga nula, el neutrón es neutro, y acabamos con una carga positiva, la del protón.  Y eso no puede ser porque la carga eléctrica está conservada.  ¿Cuál es la solución?  Pues se ha tenido que crear otra partícula que tenga la misma carga del protón pero cambiada de signo.  Ok, ¿pero qué pasa con la energía?  Afortunadamente el neutrón tiene una masa mayor que la del protón, así que tiene energía suficiente para convertirse en un protón y además crear un electrón de forma que carga y energía se conserven en el proceso.

neutprotelect

¡Pues ya está!  Ya hemos definido como un neutrón se convierte en un protón y hemos deducido que para que todo sea consistente se tiene que crear en el proceso un electrón.  Ojo, el electrón no está dentro de un neutrón, se crea en el proceso gracias a la energía sobrante del neutrón al convertirse en protón, cosas de la cuántica.

¡Falta energía, tiene que haber algo más!

Hemos descrito un proceso en el que un neutrón se convierte en un protón y además crea un electrón en el proceso.  La cosa está en que generalmente no hay neutrones sueltos por ahí, suelen estar en núcleos.

Bueno, no pasa nada, los neutrones en los núcleos también pueden sufrir este proceso (en determinados núcleos) lo que ocurre es que la vida media es más larga.  Podríamos decir que el neutrón tiene que poner cierta parte de su energía en unirse al resto de protones y neutrones y entonces tiene pocas oportunidades de realizar el proceso.  Aún así lo consigue de tanto en cuanto dependiendo del núcleo atómico.  Entonces tenemos la siguiente reacción:4271620_orig

Tenemos un núcleo de Cesio (Cs).  Este núcleo tiene 55 protones, a esto es a lo que se le llama número atómico (número de protones de un núcleo).  También tiene 82 neutrones.  Si sumamos el número de protones (55) y el de neutrones (82) nos sale que ese núcleo está formado por un total de 137 partículas.  A ese número se le denomina, número másico del núcleo.  Conocido el número másico y el número atómico podemos calcular el número de neutrones de dicho núcleo.

Si uno de los neutrones se convierte en un protón y emite un electrón el núcleo inicial ha cambiado su número atómico, ahora tendrá 56 protones y 81 neutrones, su número másico seguirá siendo 137 (no ha cambiado el número total de partículas en el núcleo).  Ok, genial, pero miremos la siguiente tabla periódica:

Tabla-periodicaEl número atómico está en la esquina superior izquierda de las celdas de los elementos.  Busca el elemento de número atómico 55 y el de número atómico 56.  Sí, son el cesio y el bario.  Es decir, en este proceso los núcleos atómicos pasan de ser de un elemento a otro ya que cambia el número de protones del núcleo y eso es lo que define el elemento químico en cuestión.

Pero nos hemos olvidado del electrón.  El neutrón, como habíamos deducido arriba, se convierte en protón y crea un electrón en el proceso.  El protón no puede salir disparado porque se queda pegado al resto de partículas del núcleo donde las interacciones atractivas entre ellas son muy intensas.  El electrón creado no siente dichas interacciones nucleares así que puede salir disparado.

Así podemos determinar que hay procesos de ese tipo en una muestra nuclear, viendo que se emiten electrones y viendo que los núcleos se han convertido de un elemento a otro.

Supongamos que tenemos una muestra de carbono 14 (C14 tiene 6 protones y 8 neutrones) y sufre este proceso para convertirse en nitrógeno 14 (N14 tiene 7 protones y 7 neutrones).  Lo que pasaría sería:

betaanimatSe cambia un neutrón en un protón y se crea un electrón.  El protón se queda atrapado en el núcleo y el electrón sale despedido.   Podemos detectar esos electrones en una muestra de C14, la radiación beta (recibe ese nombre por cuestiones históricas, inicialmente no se sabía que estaba compuesta por electrones), eso es la radiación beta.

Lo mejor de todo es que somos muy buenos en medir la energía de los electrones.  Así que nos disponemos al asunto con la esperanza de encontrar que todos los electrones producidos por este fenómeno tengan exactamente la misma energía.  Eso es lógico, al cambiar de un núcleo inicial a otro final alcanzamos un núcleo más estable, tiene menos energía, y esa energía se la lleva el electrón en forma de energía de movimiento, energía cinética.  Por lo tanto, como siempre ocurre el mismo proceso entonces todos los electrones producidos por esta radiación beta han de tener la misma energía.

Supongo que ya estaréis preparados, pues sí, cuando hicieron eso encontraron que los electrones no salían todos con la misma energía, muchos salen con energías sensiblemente menores a las esperadas.

La curva representa el número de electrones detectados en función de su energía en el proceso que hemos elegido de ejemplo.  La línea roja sería la señal que veríamos si todos los electrones salieran con la misma energía.

La curva representa el número de electrones detectados en función de su energía en el proceso que hemos elegido de ejemplo. La línea roja sería la señal que veríamos si todos los electrones salieran con la misma energía.

Felices e incautos, esperábamos encontrar todos los electrones emitidos por la muestra con la misma energía.  Pero los que medimos tiene energías mucho menores. ¿Qué ocurre aquí? ¿Se está perdiendo energía? ¿Dónde está dicha energía?

La reacción a este hecho no se hizo esperar y con tal de preservar la conservación de la energía la comunidad física tuvo que aceptar la loca idea teórica de que en ese proceso se estaba emitiendo una partícula que se llevaba la energía que nos faltaba.  Pero esa partícula no se detectaba y entonces tuvieron que describir dicha partícula en los siguientes términos:

  1. En el proceso de radiación beta se emite una partícula neutra (no tiene carga eléctrica).  Porque la carga está conservada, es la misma al principio que al final.
  2. Esa partícula no tendría masa. Así que toda su energía se debería a su movimiento.
  3. No interactúa, o lo hace muy, muy poco, con la materia.

Había nacido la idea de neutrino. Pero su nacimiento fue traumático ya que en los términos descritos dicha partícula sería indetectable.  Pero basta decirle eso a quien se dedica a la física para que se empeñe en encontrarla.  Por supuesto lo hicieron, pero esa es otra parte de la historia del neutrino.

Por cierto, la imagen del proceso de radiación beta para el cambio de C14 a N14 sería así:

conneutrinoanimNos seguimos leyendo…

Anuncios

14 Respuestas a “Neutrino history, what’s NEXT? — ¿Neutrinos?

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

  2. Pingback: Neutrino, what’s next? — Organizando partículas 2 | Cuentos Cuánticos

  3. “cuando hicieron eso encontraron que los electrones no salían todos con la misma energía, muchos salen con energías sensiblemente menores a las esperadas.”
    a)¿Si los electrones salen con una energia inferior a la del electron, son electrones?
    b) La energía de los electrones muestra una curva, ¿no deberían ser valores exactos e iguales a la energia de los neutrinos (cualquiera de los 3)?
    Aunque entiendo el articulo, creo que esta parte no la he entendido muy bien.

  4. Pingback: Plátanos y radiactividad | Cuentos Cuánticos

  5. Pingback: Neutrino History, what’s NEXT? — Organizando partículas 1 | Cuentos Cuánticos

  6. “La conservación de la energía es la forma que tiene la naturaleza de decirnos que la física es la misma hoy que ayer y que mañana”
    La mejor y mas sencilla explicación del Teorema de Noether aplicado a la Energía que he leído, gracias por tus posts

  7. Soberbio artículo. Es imposible explicar tantas cosas y tan importantes de un modo más claro, sencillo y ameno.

  8. Sencillamente muchas gracias por explicar éstos fenómenos de esta manera a todos los que nos fascina la ciencia a esta escala, pero que por cosas de la vida tomamos otro camino en lo que a preparación académica se refiere. Posiblemente si hubiese tenido un profesor con su capacidad y habilidad de enseñar mi carrera habría
    sido otra, pero en fin, siempre es tiempo de aprender.

  9. Bonito,rápido y sencillo.
    Espero la segunda parte. (Y)

  10. ¡Buena entrada! Esperando las siguientes que la continúen.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s