Un nobel débil y oscilante


Hoy, 6 de octubre de 2015, se ha anunciado el premio nobel de física y el premio ha sido para Takaaki Kajita Arthur B. McDonald por el descubrimiento de la oscilación de neutrinos en el experimento Super-Kamiokande.

kajita mcdonald

La verdad es que ha sido una sorpresa pero creo que es un premio justo.

En este blog hemos hablado de los neutrinos en varias ocasiones.

Si quieres una explicación del origen y propiedades del neutrino:  ¿Está el neutrino?  Que se ponga.

Para entender lo de la oscilación de los neutrinos y su importancia:  A los neutrinos les gusta los balancines.

La historia que condujo a la propuesta del neutrino explicada con dibujos y animaciones:  Neutrino history, what’s Next? – ¿Neutrinos?

En esta entrada vamos a hacer un breve resumen, por contextualizar y eso, de los neutrinos, sus oscilaciones y el descubrimiento que les ha valido el premio nobel a estos señores.

¿Vamos?

Los neutrinos

Los neutrinos son unas partículas peculiares, muy peculiares.  Sus principales características son:

  • No tienen carga eléctrica. Así que el electromagnetismo a ellos pues como que no les importa mucho.
  • No sienten la interacción fuerte, por tanto no se unen a núcleos atómicos ni a partículas que sienten o generan dicha interacción.
  • Solo sienten una interacción denominada débil que es responsable de algunas reacciones nucleares.  Y como su propio nombre indica es muy débil.

Esas propiedades hacen que los neutrinos atraviesen la materia como si nada.  La probabilidad de que interaccionen con otra partícula es extremadamente pequeña.  Así que sí, estas partículas que se producen en reacciones nucleares por ejemplo en el Sol, te están atravesando ahora mismo en un número enorme.  Pero no te preocupes, no pasa nada.

Además sabemos que los hay de tres tipos, conocidos como:

  • Neutrino electrónico — asociado al electrón.
  • Neutrino muónico — asociado al muón.
  • Neutrino tau — asociado a la partícula tau.

Sabemos que existen tres clases porque cada tipo tiene reacciones específicas. Cada uno reacciona con otras partículas de formas concretas y eso los distingue.

Una cosa de la que no hemos hablado es sobre la masa del neutrino.  Al principio se pensó que los neutrinos no tenían masa, o lo que es lo mismo, que se movían a la velocidad de la luz.  Pero algo ocurrió que cambió esta imagen.

La cuestión esencial es que se encontró que los neutrinos podían oscilar. ¿Qué significa eso en este contexto?

Supongamos que hacemos una reacción nuclear con la que estamos 100% seguros de que solo salen neutrinos de tipo electrónico.  Esos neutrinos saldrán disparados y pueden ser apuntados a un material que cuando los reciba producirá una reacción en la que veremos que se emiten electrones (en un pequeño número ya que la probabilidad de interacción es muy baja como hemos dicho).

La sorpresa es que no se producen tantas como las que uno espera. ¿Cuál es el motivo?  La razón es que durante el trayecto algunos neutrinos cambian de tipo, pasan de tipo electrónico a muónico o de tipo tau y viceversa.  Eso es lo que significa que oscilen los neutrinos, que cambian su tipo en su vuelo.

oscilacionneutrino

¿Por qué es importante esto?  La respuesta es interesante. Según la mecánica cuántica este proceso de oscilación no se puede dar si la diferencia de masas entre esas partículas es nula.  Así que lo que sabemos es que las diferencias entre las masas de los neutrinos tipo electrónico e, muónico \mu y tauónico \tau no pueden ser nulas.  Eso implica que no pueden ser todas cero y por lo tanto, al menos dos han de tener masa (se supone que los tres).

El super-Kamiokande

superK-pmts

Super-Kamiokande es un detector de neutrinos monstruoso. Los datos del bicho son:

  •  Es un tubo cilíndrico de 41.4 metros de alto y 39.3 metros de base.  Este se rellena de agua.  Con tal cantidad de material aseguramos que la probabilidad de interacción de los neutrinos aumente.  ¿Poca interacción con la materia?  Pues pongamos mucha materia con la que interaccionar.
  • Su masa total es de 50.000 toneladas.
  • Está a 1000 metros bajo tierra.  Con eso nos aseguramos que lo que llega al detector son neutrinos producidos por el Sol y otras fuentes astrofísicas y no otras partículas cósmicas con mayor tendencia a interaccionar que serán apantalladas por el material entre la atmósfera y el detector.

¿Cómo funciona el aparatito?

Lo que detecta es fundamentalmente radiación Cherenkov.  Esta es una radiación que se produce cuando una partícula cargada se mueve en un medio con una velocidad superior a la velocidad de la luz en ese medio (ojo, en ese medio, no en el vacío que nada puede superar a c).

Cuando una partícula se mueve en un medio a una velocidad superior que la velocidad de la luz en dicho medio (por ejemplo en el agua la luz se mueve a 224.844.349 m/s, siendo la velocidad de la luz en el vacío 299.792.458 m/s) rompe en cierto sentido la barrera de la luz en dicho medio y genera un cono de luz que se mueve tras ella.  Como ocurre con los aviones supersónicos.

sonic-cone-sound-barrier

fast0

Entonces se ve como el medio empieza a emitir luz al pasar una carga por él a una velocidad superior a la de la luz en ese medio.

giphy

Los neutrinos, que no son amigos de interactuar con otras partículas de vez en cuando lo hacen y claro, lo hacen de forma específica.  Si es un neutrino de tipo muónico emitirá muones y… bueno ya sabéis como va esto.

cherenkov-se (1)

Las paredes de Super-Kamiokande están recubiertas por fotomultiplicadores que detectan esos conos de luz y pueden identificar de donde provienen.  Además hay detectores de partículas para decidir si se ha emitido un electrón o un muón.

La cuestión para demostrar la oscilación de los neutrinos experimentalmente reside en los siguientes puntos:

  • A nuestra atmósfera llegan partículas cargadas que crean neutrinos al interactuar con partículas atmosféricas y neutrinos propiamente dichos.
  • La distribución de neutrinos ha de ser más o menos igual en todas las direcciones porque esas partículas llegan más o menos igual en todas las direcciones.
  • Por lo tanto Super-Kamiokande ha de detectar neutrinos en todas las direcciones por igual.
  • Lo que es mejor, Super-Kamiokande ha de detectar casi los mismos números de neutrinos de tipo electrón y de tipo muón.  ¿Pero qué ocurre?

Lo que ocurre es que para los neutrinos tipo electrón se encuentran los mismos números (se dan el mismo números de reacciones) para la dirección que viene justo desde arriba del detector (por tanto solo han pasado por la atmósfera y por lo que hay encima del aparato) y para los que vienen desde abajo del detector (por lo tanto han pasado por la atmósfera y por toda la Tierra hasta llegar al detector).

Sin embargo, los neutrinos muónicos llegan en distinto número.  Llegan muchos más desde arriba del detector que los que llegan desde abajo.  Cuando uno asume la oscilación de los neutrinos encuentra que eso es justo lo que predice la teoría que ha de pasar. ¿Por qué?  Porque como hemos dicho antes la oscilación se produce en el viaje del neutrino, por lo tanto, si un neutrino de tipo muónico se ha originado en la atmósfera ha tenido más tiempo de viaje si se ha creado en la otra punta de la Tierra que otro del mismo tipo que se haya creado encima del detector y habrá tenido más tiempo de cambiar.

Dado que no hay un aumento neto apreciable en los neutrinos electrónicos lo que ha de ocurrir es que los neutrinos muónicos cambien a neutrinos de tipo tau que Super-Kamiokande no podía detectar.

Simple y bonito.

A día de hoy la física de neutrinos es una de las ramas de la física de partículas con mayor proyección.  Los neutrinos pueden tener muchas de las claves para entender nuestro universo, desde la estructura a gran escala del mismo hasta la asimetría materia/antimateria.

Un premio nobel muy interesante y muy bonito.  Espero que esto os haya ayudado a entender un poco mejor este premio y sus motivos.

Nos seguimos leyendo…

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6 Respuestas a “Un nobel débil y oscilante

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  5. Pues vale, el argumento de por qué llegan más neutrinos muónicos por la parte de arriba que la de abajo me parece que también se podría aplicar con los neutrinos electrónicos, de tal manera que en promedio no tendría que haber diferencia alguna. No sé si es un error o me habré perdido en algo.

    Saludos.

    • Creo que la explicación es que como los neutrinos muónicos se crean en la atmósfera a unos 15 km de altura, si vienen de arriba habrán recorrido 15 km y si vienen de abajo, 15 km + el diámetro de la Tierra = 12.750 km. La diferencia porcentual entre 15 y 12.765 es enorme.
      En cambio los electrónicos se forman en el Sol que está, en cifras redondas, a 150.000.000 de km. En este caso la diferencia relativa entre cuando vienen de arriba, (de día, 150.000.000 km) o de abajo, (de noche 150.012.750) es despreciable desde el punto de vista del espacio que han tenido para oscilar a lo largo de todo el recorrido.

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