Todo sobre los escurridizos neutrinos

PREFACIO.  El neutrino es la partícula más enigmática de todas las que integran el modelo estándar de la física de partículas. La idiosincrasia de las interacciones débiles dentro del marco de la física de partículas es de tal magnitud que hasta la fecha ha habido una gran cantidad de trabajo e investigación en tratar de comprender la física subyacente de las partículas típicas de estos procesos, los neutrinos. Físicos como Fermi, el desaparecido Majorana y muchos otros han contribuido a su estudio aunque todavía quedan interrogantes por responder y, además, de gran magnitud. También, en el campo de la astrofísica han aparecido multitud de fenómenos que han llevado a que el neutrino ocupe un lugar privilegiado en la actualidad porque gran parte de ellos no sólo parecen indicar nueva física más allá del estado actual de nuestros conocimientos sino también una conexión entre problemas de la física de partículas, la cosmología y la astrofísica que nunca antes hubiéramos sospechado.

A partir del planteamiento del problema de los neutrinos solares, este artículo trata de ofrecer una perspectiva histórica y global acerca de la física de los neutrinos, que sin duda alguna, dio, da y dará mucho que hablar en los próximos tiempos.

INTRODUCCIÓN

El neutrino es el centro en la actualidad de grandes debates en física de partículas, astrofísica y cosmología y ocupa un lugar dominante en las discusiones y proyectos habidos y por haber. Desde el descubrimiento de la radioactividad, se ha tratado de entender mejor esta misteriosa partícula que ha llevado a plantear problemas y preguntas de distinto alcance y consideración.

Mientras que ya en los años treinta del siglo pasado se comenzó a discutir sobre su naturaleza, en particular, sobre si era idéntico a su antipartícula con el trabajo pionero y novel del físico italiano E.Majorana, hubo que esperar hasta finales de los sesenta y principios de los setenta para que problemas como el de los neutrinos solares, la materia oscura, los rayos cósmicos y tantos otros para que los físicos empezásemos a valorar la importancia de la Física subyacente.
Y aquí estamos, en pleno siglo veintiuno, y con un montón de preguntas abiertas y con el “inocente” neutrino ya no tan inocente…

LA HISTORIA DEL NEUTRINO

La Historia antes de la historia (1896-1930).

La mayoría de los descubrimientos han tenido su origen en problemas que la comunidad científica estaba encarando frecuentemente sin percatarse de ello. Antes de la llegada del neutrino, el problema de la desintegración beta tuvo que aparecer. Y para que éste apareciese, la radioactividad tuvo que ser descubierta.

Henri Becquerel en el año 1986, luego Pierre y Marie Curie fueron los primeros protagonistas de esta revolución. Mientras Henri Becquerel descubrió algunas radiaciones extrañas provenientes de las sales de uranio, Pierre y Marie Curie aislaron el radio, un material mucho más radioactivo que el uranio. En 1899, Rutherford mostró que existían dos tipos de radiaciones, que denominaba alfa y beta. En 1900, Villard proporcionó evidencia de un tercer tipo de radiación en el radio, que denominó radiación gamma. Una carrera loca comenzó para estudiar con detalle estas radiaciones halladas en materiales radioactivos.
En 1904, Rutherford mostró que la radiación alfa estaba constituida por algo que se asemejaba a átomos de helio. Finalmente, los tres tipos de radioactividad fueron identificados:

 -Radioactividad alfa:  constituida por núcleos  de Helio 4 ( dos protones y dos neutrones) .
 -Radioactividad beta:  constituida por electrones .
 -Radioactividad gamma: constituida por fotones de alta energía ( unos pocos MeV).

La radiación beta (el electrón) presumía emitir solamente un tipo de partículas y, entonces, una energía bien definida, fija. Sin embargo, tras diferentes estudios de esta radiación realizados por Lise Meitner, Otto Hahn, Wilson y von Baeyer, James Chadwick muestra en 1914 que este no era el caso: el espectro de energía del electrón era contínuo.
“(…)¿Tenemos que abandonar entonces el principio de conservación de la energía, el sacrosanto principio que los científicos siempre hemos  verificado por el experimento hasta ahora?(…)”

Ésta era una pregunta que empezaron a hacerse los físicos tras los estudios de la radioactividad beta. Incluso Niels Bohr, entre otros, empezó a creer que la respuesta tal pregunta era afirmativa. Debemos esperar al año 1930 y Wolfgang Pauli para encontrar otra solución.

El nacimiento(1930-1934).

Desde nuestro conocimiento actual, los neutrinos nacieron hace unos 15 mil millones de años, pocos instantes después del nacimiento de nuestro Universo. Desde esa época, el Universo se ha expandido, enfriado y los neutrinos han seguido su propio camino y evolución. Teóricamente, existen muchos ahora y constituyen una radiación de fondo cósmica cuya temperatura se ha estimado en 1.9 K (-271.2 ºC). El resto de neutrinos del Universo son producidos durante el tiempo de vida de las estrellas en procesos nucleares, y durante la explosión de supernovas.

A pesar de todo, la idea del neutrino surgió sólo en 1930, cuando Wolfgang Pauli trató de salvar el principio de conservación de la energía. El 4 de diciembre de 1930, invitado en un congreso de físicos en Tubingen, envió a sus colegas la siguiente extraña carta:

” Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,

     As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the “wrong” statistics of the N and Li6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a deseperate remedy to save the “exchange theorem” of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant…
I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen those neutrons very earlier if they really exist. But only the one who dare can win and the difficult situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is lighted by a remark of my honoured predecessor, Mr. Debye, who told me recently in Bruxelles: “Oh, It’s well better not to think to this at all, like new taxes”.
From now on, every solution to the issue must be discussed. Thus, dear radioactive people, look and judge. Unfortunately, I cannot appear in Tubingen personally since I am indispensable here in Zurich because of a ball on the night of 6/7 December. With my best regards to you, and also to Mr Back.

Your humble servant:
 W. Pauli “

En febrero de 1932, J.Chadwick descubre el neutrón, pero los neutrones son demasiado pesados y no corresponden a la partícula imaginada por Pauli.

En la conferencia Solvay de Bruselas, Octubre de 1933, Pauli dice, hablando sobre sus partículas:

“… their mass can not be very much more than the electron mass. In order to distinguish them from heavy neutrons,mister Fermi has proposed to name them “neutrinos”. It is possible that the proper mass of neutrinos be zero… It seems to me plausible that neutrinos have a spin 1/2… We know nothing about the interaction of neutrinos with the other particles of matter and with photons: the hypothesis that they have a magnetic moment seems to me not funded at all.”

En 1933, F.Perrin muestra que la masa del neutrino tiene que ser mucho más pequeña que la del electrón. En el mismo año, Anderson descubre el positrón, la primera partícula de antimateria observada, verificando la teoría de P.A.M.Dirac y confirmando la idea de neutrino en las mentes de Pauli y Fermi. A finales de 1933, mientras Frederic Joliot-Curie descubre radioactividad beta positiva( un positrón es emitido en lugar de un electrón), Enrico Fermi toma la hipótesis del neutrino y construye su teoría de la desintegración beta( interacción débil).
Desde entonces, los físicos hemos hecho grandes progresos en la comprensión de la interacción débil y ahora también hablamos de protones y neutrones, por otra parte compuestos por quarks. Uno de los quarks del neutrón se transforma en otro, produciendo la emisión de un bosón  -quanta  portador de la interacción- W, que se desintegra en un electrón y un antineutrino.

La búsqueda del neutrino comienza, mientras que Hans Bethe y Rudolf Peirls muestran en 1934 que la sección eficaz( probabilidad de interacción) entre neutrinos y la materia es extremadamente pequeña: miles de millones de veces más pequeña que la de un electrón. El neutrino interacciona tan débilmente con la materia que puede atravesar la Tierra sin desviación.

Primera búsqueda de la estrella inaccesible(1935-1956).

Hasta el final de la década de los años cuarenta del siglo pasado, los físicos trataban de hacer medidas del núcleo durante la desintegración beta para verificar que las medidas fueran compatibles con la hipótesis de un solo neutrino emitido con el electrón. Sin embargo, no parecía posible cualquier observación directa del neutrino, ya que la probabilidad predicha de interacción era demasiado débil para un experimento: una fuente muy abundante de neutrinos y muy sensible era necesaria, aparte de que debía ser necesario un detector suficientemente grande y pesado. En 1939, Luis Alvarez muestra que el tritio es radioactivo. Hasta hoy, la desintegración beta del tritio ha sido usada para proporcionar el mejor límite sobre la masa del neutrino.

En 1945, la primera bomba atómica explota. A pesar del horror que inspiró, es para los físicos una potencial fuente suficientemente grande de neutrinos. Frederick Reines, en Los Alamos, habla a Fermi en 1951 sobre su proyecto de situar un detector de neutrinos cerca de una bomba atómica. En 1952, conoce a Clyde Cowan y finalmente acuerdan usar una fuente más pacífica de neutrinos: la planta nuclear de Hanford, Washington. El detector es rápidamente construido y el experimento propuesto en Febrero de 1953. Es finalmente llevado a cabo en primavera y sus resultados salen durante el verano del mismo año 1953.
A pesar de todo, la señal no es clara ni convincente. Realizan de nuevo el experimento en 1956, más cuidadosamente y esta vez cerca de la planta nuclear de Savannah River, Carolina del Sur. Las mejoras realizadas, especialmente la disminución de la señal de “background” (ruido o fondo) les proporcionan la evidencia que andaban buscando. El neutrino estaba ahí. Su señal era claramente visible en el detector.
Cerca de la misma planta nuclear, otros físicos como Luis Alvarez o Ray Davis habían intentado detectar neutrinos usando soluciones de carbonato clorado, donde el cloro debía transformarse en argón radioactivo bajo la interacción con un neutrino. Desafortunadamente para ellos, una planta nuclear produce solo ¡ antineutrinos ! .
Reines y Cowan realizaron el experimento usando un blanco de 400 litros de una mezcla de agua y  cloruro de cadmio. El antineutrino sale del reactor nuclear e interacciona con un protón del blanco, dando lugar a un positrón y un neutrón. El positrón se aniquila con un electrón del material produciendo simultáneos fotones y el neutrón marcha lentamente hasta que es capturado eventualmente por un núcleo de cadmio, implicando la emisión de fotones unos 15 microsegundos después de la aniquilación del positrón. Todos los fotones son detectados y los quince microsegundos identifican la interacción con el neutrino.

Figura 1. El detector de neutrinos del experimento de 1953.

 Figura 2. Esquema del experimento de 1956.

La segunda búsqueda (1957-1962).

El neutrino, o más precisamente el antineutrino, que sale de un reactor nuclear es un neutrino de tipo electrónico porque en desintegración beta es emitido junto a un electrón. ¿Es diferente del neutrino muónico asociado al muón, otra partícula observada en rayos cósmicos?…¿O es esta diferencia una aserción arbitraria conveniente en teoría?

A Reines no se le permitió continuar sus investigaciones y regresó a Los Alamos. Otros continuaron y en 1959, en la cafetería de la Universidad de Columbia, Nueva York, comenzó la búsqueda del neutrino muónico. Tras una discusión entre T.D.Lee y M.Schwartz, este último se dio cuenta de la posibilidad de producir un haz de neutrino bastante intenso mediante desintegración de piones, partículas producidas en gran cantidad cuando un haz de protones de GeV de energía se encuentra con la materia. T.D.Lee y C.N.Yang son estusiastas sobre la idea y comienzan a calcular las secciones eficaces esperadas, mientras Schwartz se asocia con Leon Lederman, Jack Steinberger y, después, un joven físico de Orsay llamado Jean-Marc Gaillard. Ellos encuentran el detector ideal para su experimento mientras miraban cámara de burbujas construida por J.Cronin y su equipo en Princeton:


Figura 3. El detector de neutrinos de Schwartz.

El neutrino en el CERN(1963-1983).

El descubrimiento de las distintas especies de neutrinos conllevó una fiebre entre los físicos. Numerosos experimentos y descubrimientos fueron realizados, casi al mismo tiempo, sobre quarks y leptones, viniendo uno tras otro.

Durante los sesenta y los setenta, electrones y neutrinos de alta energía se usaron para probar la composición de nucleones (neutrones y protones). La evidencia de quarks y su estudio estará agradecida al neutrino. En los setenta, en el CERN, especialmente en 1975 y 1976 los experimentos CDHS,CHARM y CHARMII, después BEBC, todos con resultados remarcables sobre la estructura quark de los núcleos, permitieron también un mejor entendimiento de la extraña interacción débil.

En 1970, Glashow, Illiopoulos y Maiani hacen la hipótesis de la existencia de una segunda familia de quarks. A finales de 1974, se confirma la hipótesis por dos experimentos americanos. Segunda familia de neutrinos, segunda familia de quarks. En 1973, tras una increible competición entre el Fermilab y el CERN, las corrientes neutras           (interacción del neutrino con la materia donde el neutrino no se transforma en otra partícula como un muón o un electrón) son descubiertas. En 1977, el equipo de Leon Lederman descubre en Stanford el quark bottom, el primero de los dos que integran la tercera familia de quarks (el top fue descubierto en 1995). Al mismo tiempo, Martin Perl descubre la partícula tau o tauón y con él la tercera familia de leptones. El neutrino tauónico está ahí: ¡ los físicos pueden “olerlo” pero no verlo !. Poco después de 1998 es observado experimentalmente.
En 1983, el bosón W muestra su existencia en el experimento UA1 por deacimiento en un electrón y antineutrino. Luego viene el bosón Z. La interacción débil y el neutrino marca definitivamente su señal en la historia de la física. Un largo camino se ha recorrido desde la primera desintegración beta descubierta por Curie y Rutherford en 1898.

El neutrino en la actualidad(1983-…).

En los ochenta, consideraciones prácticas y teóricas han llevado a algunos físicos a proponer que el neutrino puede tener una masa no nula, salvo posibilidades más exóticas. La mecánica cuántica permite entonces un fenómeno llamado “oscilaciones” de neutrinos, esto es, un neutrino electrónico puede, mientras viaja a través del universo, convertirse en muónico o incluso tauónico. En 1979, en otro experimento, F.Reines, todavía en la planta nuclear de Savannah River, lleva a cabo la medida de la razón entre la corriente neutra y la corriente cargada, con antineutrinos. El resultado no es compatible con las predicciones teóricas y podría ser explicado por las oscilaciones de los neutrinos, aunque no hay conclusiones definitivas todavía.

A la luz de este resultado, después corregido por otros experimentos, un equipo de ILL (Institute Laue Langevin ) intenta encontrar oscilaciones de neutrinos en el reactor nuclear de su Instituto. Luego, muchos experimentos buscan oscilaciones en plantas nucleares de todo el mundo.

La historia no para aquí. Desde 1969, un físico llamado Ray Davis intentó, en la mina Homestake, bajo 3000 metros de tierra y rocas, capturar unos pocos neutrinos solares por año usando un detector hecho de 600 toneladas de una solución de cloro. Sus primeros resultados sorprenden y son confirmados hasta hoy por otros experimentos, tras más de 30 años de datos. Nace el problema de los neutrinos solares, esto es, el Sol emite tres veces menos neutrinos que los predichos por el modelo estándar solar.

Los astrofísicos realizan proyectos y experimentos para confirmar este hecho y confirmar el déficit inesperado según el modelo estándar solar. Especialmente tres experimentos, a saber, GALLEX, SAGE y KAMIOKANDE, se llevan a cabo, teóricamente, ya que cada diseño experimental no “ve” los mismos tipos de neutrinos, de acuerdo a su origen en las reacciones termonucleares del sol. ¿Puede ser el déficit observado de neutrinos solares de tipo electrónico venir de oscilaciones de neutrinos?. La idea es atractiva pero los resultados de los experimentos y posteriores argumentos teóricos muestran que la idea es difícil de hacerla práctica.

Por otra parte, en 1985, S.P: Mikheyev y A.Y.Smirnov desarrollaron el trabajo previo de L.Wolfenstein sobre oscilaciones neutrínicas amplificadas por la materia: crean el efecto MSW.  El déficit de neutrinos solares podría ser explicado por una ampliación de las  oscilaciones como consecuencia de atravesar un medio material, como las capas exteriores del sol y el medio interestelar que hay entre el sol y la Tierra.

En 1989, el nuevo acelerador LEP del CERN permite mostrar mediante el tiempo de vida del bosón Z que sólo tres familias de neutrinos ligeros existen. ¡Un resultado trascendental!


Figura 4. Diagrama del detector ALEPH mostrando la existencia de tres generaciones de neutrinos ligeros.

Cuanto más corto es el tiempo de vida de una partícula, más indeterminada está su masa. Uno dice que su distribución de masa tiene una “anchura”. Y esta anchura se incrementa con el número de posibilidades de desintegrarse de una partícula. El bosón Z, con una vida media  de unos 10-23 segundos, puede desintegrarse en pares de partícula de tipo neutrino y su antipartícula antineutrino.  Cuanto más grande es el número de familias de neutrinos, más grande es la anchura de la distribución de masa del bosón Z.
En 1992, dos experimentos en el CERN se construyen para detectar oscilaciones de neutrinos: NOMAD y CHORUS, que, gracias a las oscilaciones, esperan detectar neutrinos tau en el haz de neutrinos mu producidos con los protones del acelerador SPS. Los datos se empiezan a tomar en 1994 y los primeros resultados aparecen en 1998.

El todavía misterioso neutrino (…).

En 1995, el experimento GALLEX publica su resultado final: un déficit de un 40% sobre casi todo el espectro de los neutrinos solares. SAGE confirma ampliamente este número y KAMIOKANDE observa un déficit del 50% para neutrinos por encima de 7.5 MeV. El experimento HOMESTAKE, sensible a neutrinos de esta magnitud había observado un déficit del 70%. El misterio continúa… Dependiendo de la energía de los neutrinos solares, el déficit no es el mismo. El efecto MSW podría explicar este déficit selectivo. KAMIOKANDE, también, observa un déficit de neutrinos muónicos en los rayos cósmicos. Intentar interpretar todos los déficits usando sólo oscilaciones de neutrinos no es un trabajo fácil… Más aún cuando llegan los resultados obtenidos por el experimento LSND en Los Alamos: oscilaciones entre antineutrinos electrónicos y antineutrinos muónicos.

En 1996, el experimento LSND anuncia nuevos resultados: 22 interacciones de antineutrinos del electrón cuando sólo 4 eran esperadas. La hipótesis de que los neutrinos tienen masa no nula cada vez es más fuerte y se esperan atentamente de SUPERKAMIOKANDE. Finalmente, el  experimento K2K aporta pruebas definitivas sobre la existencia de oscilaciones: el patrón de oscilaciones aparace claramente en la señal experimental. Sin embargo, a pesar de la existencia de oscilaciones de neutrinos la reivindicación de masa para las especies de neutrinos no es concluyente: ¡Pueden existir oscilaciones de neutrinos con neutrinos sin masa!

Los físicos continúan la búsqueda…

PROPIEDADES,MISTERIOS Y PROBLEMAS

Algunas propiedades.

Los neutrinos son partículas subatómicas que son estables, salvo algunas opiniones exóticas entre los físicos y además muy abundantes en el Universo, puesto que se producen en los procesos radioactivos.

Postulados hacia 1930 pero indetectados hasta 1956, hasta 1998 todos los datos eran consistentes con que eran partículas sin masa, aun cuando ya había teóricos que postularon neutrinos con una masa dada.
Los neutrinos son partículas fundamentales, forman parte de los bloques fundamentales de materia, que se describen por el modelo estándar de física de partículas. Se distinguen cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la fuerza electromagnética, y las fuerzas nuclear fuerte y débil, mas se piensa en la actualidad que pueden estar unificadas a escalas de distancias muy cortas, equivalentemente, a escalas de energía de grandes.

Hay 12 partículas fundamentales: seis quarks (eléctricamente cargados y con carga de color) y 6 leptones (que interactúan via la fuerza débil).
Cada partícula posee su propia antipartícula. Los neutrinos vienen en “sabores”, esto es, hay un neutrino por cada leptón cargado (electrón, muón y tauón).

La quiralidad del neutrino.

¿Que es la quiralidad?. Mírese la mano derecha. Es un objeto asimétrico. Su imagen especular es la mano izquierda. Si se trata de superponer las dos manos hacia uno mismo, no hay manera de conseguirlo. A esto se le llama quiralidad. Algo es quiral cuando no se puede superponer a su imagen especular. Muchas cosas en la naturaleza son quirales. Uno distingue así objetos quirales “derechos” (right) de objetos quirales “izquierdos” (left). Esta diferencia, en general arbitraria, puede estar fundada en la rotación del plano de polarización de un rayo de luz pasando a través de un material de prueba. Usando cierto tipo de azúcar llamado dextrosa, el plano de polarización rota hacia la derecha, cuando se mira el rayo de luz al revés. Se dice entonces que la dextrosa es quiral “derecha” (right). Ésta es la regla.
La mayoría de las moléculas de la vida tienen el, plano de polarización a la izquierda: se dice que son de quiralidad “izquierda”. Pero los aminoácidos, que se suponen ser origen de la vida, son de quiralidad “derecha”. Esta diferencia es un gran misterio que podría estar vinculado a la asimetría de las interacciones débiles, es decir, a los neutrinos.

La helicidad del neutrino.

¿Que es la helicidad?. Una de las propiedades principales de las partículas es su espín. Si la proyección del espín de una partícula sobre la dirección de su movimiento es opuesta a ésta, la partícula se dice que tiene helicidad “izquierda”. En caso contrario, se dice que tiene helicidad “derecha”.

Teóricamente, los neutrinos sin masa sólo tienen helicidad izquierda. Es peculiar de la interacción débil el producir sólo neutrinos con este tipo de helicidad. Un neutrino puede ser quiral izquierdo o derecho, pero un neutrino de masa nula que tenga helicidad izquierda será siempre de quiralidad izquierda… Los términos “izquierda” o “derecha” (a menudo representados por las letras L y R) se refieren a la quiralidad derecha o izquierda. En el límite de masa cero corresponden a la helicidad izquierda o derecha.

En 1937, el físico Ettore Majorana, italiano, elaboró una teoría muy simétrica del neutrino y el antineutrino. Si su teoría es correcta se da la identidad entre neutrinos y antineutrinos. Entonces es posible un modo especial de desintegración: la desintegración beta doble sin neutrino. El neutrón del núcleo se desintegra emitiendo un antineutrino, que si es idéntico al neutrino, puede ser reabsorbido por un protón del núcleo, llegando a ser un neutrón emitiendo un positrón o antielectrón. El balance final es: no hay neutrino, sino un electrón y un positrón.
Los experimentos que están buscando o han buscado este tipo de desintegración no han encontrado aún ninguna señal. En tales experimentos, el “ruido” o señal de fondo es grande y este tipo de “decay” es muy raro, ¡ si es que existe !.

LA MATERIA OSCURA.

Desde hace más de 20 años, un estraño puzzle ocupa la mente de los astrofísicos. Medidas de la velocidad orbital de las estrellas en muchas galaxias proporciona resultados inesperados. Las estrellas exteriores de las galaxias orbitan más rápidamente que lo esperado. Se ha dudado de la gravitación e incluso inventado una quinta fuerza, la quintaesencia, también llamada en  ocasiones energía oscura.  Sin embargo, nada ha sido capaz de dar una explicación simple a las altas velocidades.
Una explicación que ha surgido también ha sido la materia oscura, que, invisible, orbita alrededor y en el interior de las galaxias, solamente detectable a través de la interacción gravitatoria. Si los neutrinos fuesen masivos, serían buenos candidatos para este tipo de materia oscura puesto que la teoría predice 330 neutrinos por cm3. Un buen candidato sólo si su masa no es ni muy pequeña ni muy grande.

RAYOS CÓSMICOS DE ALTA ENERGÍA.

También  desde hace 30 años, un fenómeno cuyo origen es desconocido se denomina “rayos cósmicos” y se mantiene envuelto en un halo de misterio. Los rayos cósmicos de alta energía procedentes de algún lugar en el universo producen chorros de partículas (piones, kaones, muones, electrones, neutrinos, fotones,…) cuando colisionan con los átomos de nuestra atmósfera. Algunos de estos rayos cósmicos han sido detectados y se encontró que tienen más energía que una pelota de tenis durante un “ace”. Por ahora, ningún fenómeno cósmico conocido podría acelerar una partícula para alcanzar tal energía. Algunos astrofísicos piensan que estas partículas cósmicas de alta energía podrían ser neutrinos. Pero ¿de dónde adquieren tal energía?. El problema está abierto. Hay una cota experimental a la máxima energía de rayos cósmicos que no se verifica, como acabamos de mencionar. A esto se le llama límite GZK, o GZK “cut-off”. Se han propuesto soluciones del tipo ruptura de la invariancia Lorentz a ciertas escalas de distancias o, incluso, que pueden estar formados por neutrinos procedentes del Big Bang, pero todavía está todo muy oscuro.

Las tres preguntas fundamentales que quedan por responder para el neutrino, y cuya respuesta ayudaría a solventar si no todos, la mayor parte de los problemas asociados con estas partículas, son las siguientes:

    (a)¿Tiene masa no nula?
    (b)¿Tiene momento magnético?
    (c)¿Es idéntico a su antipartícula?

EL PROBLEMA DE LOS NEUTRINOS SOLARES

El problema de los neutrinos solares ha existido durante treinta años, tiempo durante el cual ha llegado a ser cada vez más complejo. Lo que empezó en los años sesenta como un “simple” déficit de neutrinos solares observados frente a las espectativas teóricas, ha crecido en una campo que marca indicios de nueva física y nos lleva a probar nuestro conocimiento actual de la teoría electrodébil. Esto puede parecer sorprendente si se recuerda que fue originariamente diseñada la observación de neutrinos solares para confirmar la fusión nuclear como mecanismo que dota de energía al sol.

Hay evidencias feacientes de que la fusión del hidrógeno en helio es el proceso que proporciona al sol su energía. El argumento más simple es una consideración de las escalas de tiempo térmicas y gravitacionales, la razón de la energía gravitacional del sol con su luminosidad. A esta escala de tiempo térmica o de Kelvin-Helmholtz es aproximadamente igual a la escala de tiempo gravitacional. Su equivalencia está garantizada por el teorema del virial:

Esta estimación está de acuerdo con otras líneas de la física, tales como la edad de las rocas más viejas de la tierra 3.7 Gyr (giga años, yr = year = año), la edad de los meteoritos (4.5 Gyr) y la evidencia fósil biológica.

El único proceso conocido que puede proporcionar al sol tanta energía durante tanto tiempo es la lenta quema de hidrógeno en helio, cuyo proceso básico es el siguiente:

El modelo estándar solar se funda en cuatro hipótesis:

    1º. El sol se encuentra esencialmente en equilibrio hidrostático, manteniendo un balance local entre la fuerza gravitacional y la presión de radiación. Para describir esta condición en detalle, uno debe especificar la ecuación de estado como función de la temperatura, densidad y composición.

    2º. La energía se transporta por radiación y convección. Mientras en las capas externas domina el transporte convectivo, el transporte radiativo domina en las capas más internas del sol donde ocurren las reacciones nucleares. La opacidad depende sensitivamente de la composición, particularmentede las abundancias relativas de los elementos más pesados.

    3º. Las reacciones termonucleares generan la energía solar. El modelo estándar solar predice que el  98% de la energía se produce por la reacción en cadena de pares de protones, de dos en dos,en 4He via la reacción:

mientras el ciclo C-N-O contribuye al restante 2%. El sol es un gran y lento reactor nuclear.

    4º. El modelo está forzado a producir el radio, masa y luminosidad solar actuales. Una importante asunción del modelo estándar es que el sol era altamente convectivo y, por ende, uniforme en composición cuando entró en la secuencia principal. Se asume, además que las abundancias superficiales de metales no fueron perturbadas por la evolución subsecuente, proporcionando así una marca de la metalicidad inicial solar. El parámetro restante adicional es la razón de Helio 4 e hidrógeno inicial, que se ajusta para reproducir los valores actuales de luminosidad tras 4.6 miles de millones de años de evolución, típicamente del orden de 0.27 ± 0.01, que se puede comparar al valor del Big Bang 0.23±0.01. Obsérvese que el sol se formó de material previamente procesado.

Figura 5. El modelo estándar solar.

Es obvio que es necesario preguntarnos ¿cuánta es nuestra confianza de que es así como funciona el interior solar?. Para el conocimiento y verificación de los procesos antes mencionados debemos determinar el espectro esperado de neutrinos en la Tierra. Para describir completamente requeriríamos cálculos muy precisos de los ritmos de las reacciones y las secciones eficaces.  Como uno esperaría de consideraciones de procesos de fusión, el espectro está dominado por los neutrinos de baja energía (< 0.42 MeV).  Los valores de los flujos para las reacciones importantes se detallan en la siguiente tabla, relativa al diagrama del modelo solar estándar:


Tabla 1

También, Bahcall señala que las incertidumbres de los flujos predichos por el modelo estándar solar es menor del 1% para la cadena protón-protón (pp) y la cadena protón-electrón-protón (pep), del orden del 7 % para la línea de Berilio 7 de 0.861 MeV y del 17% para el espectro de Berilio 8. Estos resultados, apoyando el modelo solar estándar, son una importante ayuda a la hora de interpretar el problema de los neutrinos solares.

Esto nos lleva ahora a los resultados de los experimentos de detección de neutrinos solares hasta la fecha. De acuerdo a John Bahcall, la unidad de neutrino solar fue introducida  como una unidad sumamente conveniente a la hora de tratar los flujos de neutrinos solares (véase apéndices o bien el artículo Physics Letters.23, página 251, 1969). La siguiente tabla resume los resultados de cinco experimentos:


Tabla 2.

Datos experimentales recopilados por Fogli et al, 1997, Fiorentini et al, 1997 y Bahcall,1996. Los errores están referidos a una desviación estándar. Los valores de Bahcall & Pinsonneault (1995), BP95, están dados en SNU y fundados en las predicciones del modelo solar estándar.
Las unidades del sistema cegesimal son a menudo usadas en los experimentos de Kamiokande y Superkamiokande. Los valores dados en SNU son mis conversiones estimadas.

Posteriormente, a continuación, refinamientos de medidas y más experimentos conducen a los siguientes valores:


Tabla 3.

Los valores para los experimentos de cloro y galio están dados en SNU. Los valores para los experimentos via efecto Cerenkov se dan en unidades de 1010 sucesos/m2 s. Los errores de valores relativos corresponden a errores experimentales y teóricos, respectivamente, con los errores sistemáticos y estadísticos añadidos cuadráticamente. BP98 se refiere al modelo de Bahcall y Pinsonneault en 1998.

Ahora se plantean tres problemas:

    1º. El experimento Homestake que mide mayoritariamente berilio8 y algo de berilio7 es un factor del orden 3.6 menor que el flujo esperado.

    2º. Los experimentos de scattering de agua/electrón han observado flujos que son menos del 505 que los valores teóricos. Incluso más inquietante es el problema que se origina si uno combina estos resultado con los de Homestake. Ya que los experimentos de agua miden  los neutrinos de alta energía procedentes de berilio8 y el experimento de Homestake los mismos neutrinos más algunos de berilio7 y neutrinos procedentes de la reacción p-e-p, es razonable relacionar ambos experimentos. Específicamente, si uno usa la razón medida de Kamiokande y la aplica para obtener una nueva para el flujo de berilio8 en el experimento Homestake( usando teoría electrodébil estándar) entonces la razón resulta ser 3.21±0.25 SNU, que excede todavía el flujo total medido por el experimento de Homestake( Bahcall).

    3º. Los experimentos de galio, que mide los neutrinos de baja energía protón-protón además de los medidos en los restantes experimentos, miden flujos que son un 45% más bajos que los valores esperados.

En este momento aparece una pregunta natural: ¿pueden cambios razonables en el modelo solar estándar explicar los flujos de neutrinos observados?. La respuesta parece ser que no. Como evidencia, Bahcall & Ulrich(1988) comprobaron 1000 diferentes variaciones con la ligadura de que el modelo resultante reprodujera la luminosidad solar observada. Variaron cinco cantidades: la razón entre elementos pesados primordiales con el hidrógeno y las secciones eficaces de cuatro reacciones, en el diagrama expuesta anteriormente del modelo solar estándar las correspondientes a 1 a, 3, 4 y 7. Fueron  incapaces de reproducir los flujos de berilio7 y berilio8 observados.

Si cambios simples en el SSM no son capaces de generar los flujos esperados,  ¿deberíamos considerar la posibilidad de cambios radicales o irrazonables en los parámetros del mismo?. ¿Hay fenómenos físicos nucleares nuevos y desconocidos en el interior del Sol?. Evidentemente se han propuesto múltiples modelos solares no estándares pero ninguno proporciona un ajuste experimental adecuado y consistente acerca de los flujos de neutrinos mientras los demás permanecen también consistentes con el resto de parámetros físicos pertinentes. Además, el avance de la heliosismología ha permitido precisar las ligaduras necesarias para la construcción de cualquier modelo solar. De hecho, en la actualidad, las predicciones del SSM están en excelente acuerdo con la heliosismología (véase Fiorentini et al, 1997).

Por consiguiente, hay que buscar otro tipo de soluciones, algún tipo tal vez de nueva física relevante para los neutrinos y que hasta ahora haya estado latente. Las soluciones, cuyo resumen se expone en los próximos apartados, siguen entonces, dos diferentes y principales líneas de razonamiento:

     1ª. La temperatura en el centro solar es ligeramente menos que la que pensamos según el modelo estándar de física de partículas.

     2ª. Algo les ocurre a los neutrinos durante su viaje de 150 millones de kilómetros hasta la Tierra.

Hay una tercera alternativa más exotérica que por su inviabilidad hasta el momento ha sido suprimida del debate científico y se mencionará simplemente como dato histórico:

     3ª. El sol lleva a cabo oscilaciones de “relajación” en su temperatura central sobre una escala de tiempos más corta que 10 Myr (10 millones de años). Sin embargo, nadie ha proporcionado un mecanismo creible por lo que esta alternativa ha quedado en el “baúl de los recuerdos”.

Soluciones al problema de los neutrinos solares

En  este apartado veremos y explicaremos brevemente alguna de las explicaciones que se han postulado para resolver el puzzle de los neutrinos solares. Se discutirán brevemente alguno de ellos y al final se expondrán una síntesis de los mismos y su status hasta la fecha actual.
Las soluciones han sido clasificadas en dos bloques: soluciones teóricas y soluciones experimentales. Se comprueba ahí también el contraste entre la imaginación de los teóricos y el conservadurismo experimental.

Soluciones teóricas.

Las soluciones propuestas son las siguientes:

(A) Oscilaciones de los neutrinos.

Ocurren entre estados de diferentes neutrinos. Se tratarán más rigurosamente en la siguiente sección. La idea básica es que si al menos un neutrino tiene masa no nula, los neutrinos creados en las interacciones débiles no son estados de una masa particular sino que los estados de sabor de un neutrino (electrón, muón y tauón) serían combinaciones lineales de los autoestados de la masa, que son los que diagonalizarían el hamiltoniano libre.

Mencionar, también, no obstante, que son posibles oscilaciones de neutrinos sin masa, aunque es algo, por supuesto, mucho más exótico y que involucra modelos con dimensiones espaciales extra, véase Nucl.Phys.(Proc.Supp.)91(2001).

Hay un mecanismo adicional de oscilación que permite su amplificación a la hora de estimar órdenes de magnitud y explicar el déficit de neutrinos: se denomina oscilaciones en la materia o efecto MSW.

(B) Nueva física solar: modelos solares no estándares y similares.

Ya hemos analizado previamente esta opción. Se trata de que nuestros conocimientos de física de partículas no son del todo correctos y algo inesperado sucede que no concebimos.
Como comentamos también previamente, esta en conflicto con los datos de la heliosismología que cuadran muy bien con el modelo estándar solar.

(C) Neutrinos taquiónicos.

Quizás la propuesta más radical y al mismo tiempo esotérica.
La razón que expone para explicar el déficit de neutrinos no es más que el neutrino tiene masa negativa y es una partícula taquiónica, con masa negativa. Los neutrinos no observados corresponden a los superlumínicos, mientras que los que se observan son los sublumínicos, con menos inercia, y menor energía.

Tiene en su contra que los valores predichos para la masa negativa del neutrino son menores que su error, y por tanto, no deja de ser, quizás por esta razón, un auténtico disparate.

(D) Dimensiones extra.

Quizás es la explicación más sofisticada y más fantástica junto a la anterior. Proviene de modelos de unificación de las teorías de interacciones, sobre todo, de teorías de supercuerdas, supergravedad y algunos modelos de gravedad cuántica. Se postula que el neutrino tiene uno o más grados de libertad dimensionales más que el resto de partículas, que se hayan confinadas junto a las partículas gauge por la acción de la gravedad (se dice que están “in the brane”, en la brana). El gravitón y el neutrino se pueden propagar por un espacio que es mayor que el tetradimensional observado (se dice de ellos que están “in the bulk”, en el volumen, u “off the brane”, fuera de la brana).

En principio se postulaba que las dimensiones extra debían ser pequeñas, del orden de la escala de Planck, 10-33cm, pero hace unos años se ha visto la posibilidad de dimensiones extra grandes, que no son observables porque la gravedad nos confina a una superficie del espacio hiperdimensional, o pared, que se denomina “domain wall”. La explicación del déficit es debido a que los neutrinos tienen cierta probabilidad de propagarse por el espacio “in the bulk”, de tal forma que expliquen el déficit.

A parte de estas opciones, se han construido modelos que mezclan varias alternativas, tratando de encontrar uno que se ajuste a los datos experimentales que disponemos en la actualidad. Sin embargo, se puede observar que salvo la hipótesis de las oscilaciones, como veremos, el resto no han pasado de ser por el momento puras especulaciones teóricas.

Soluciones experimentales.

Son  más “conservadoras” que las anteriores.

(A) Momento magnético.

Como el propio nombre indica, se funda en la posibilidad de que los neutrinos posean un gran momento magnético. Si es así, es posible un “flip”, salto o cambio, entre un neutrino levógiro, detectable con los experimentos actuales, y uno dextrógiro, indetectable mientras el neutrino viaja hasta la Tierra, en especial, cuando atraviesa el campo magnético solar. Esta hipótesis es comprobable via experimentos, ya que si el campo magnético solar fuera dependiente del tiempo, como podría ser indicado por algunas medidas acerca del ciclo de manchas solares, uno esperaría un ritmo de detección correlacionado de neutrinos levógiros. También variaciones estacionales ocurrirían por la distancia al sol bajo la influencia del campo magnético terrestre.

(B) Desintegración del neutrino.

Aduce la inestabilidad del neutrino para explicar el problema de los neutrinos solares. Si el neutrino se desintegra en otras partículas mientras viaja a la Tierra, entonces no es observado. Así, su tiempo de vida sería de menos de 8 minutos.
Es inconsistente con los últimos datos experimentales a fecha de hoy, a parte de que fenomenológicamente nunca se ha observado tal decaimiento.


Tabla 4. Sumario y status hasta 1998.

Se denomina neutrino estéril a todo aquel que no oscila en otras especies de neutrinos porque carece de masa. Como se mencionó anteriormente, hay muchas variaciones posibles en los modelos de oscilaciones y en los demás modelos propuestos para resolver el problema de los neutrinos solares. La clave y el reto  está en reproducir el espectro observado de neutrinos.

LAS OSCILACIONES DEL NEUTRINO

En la actualidad, la mayoría de las cotas sobre las masas de los neutrinos son consistentes con suponerlas nulas, exceptuando resultados recientes como el de Fukuda et al.(1998), indican que estas masas podrían ser finitas y no nulas, tal como reivindica, por ejemplo, la astrofísica de neutrinos. El propósito de este apartado es proporcionar una visión cuantitativa y cualitativa de cómo puede medirse la diferencia de masas de los neutrinos usando un efecto de oscilación puramente cuántico, que es análogo al formalismo de mezcla de quarks en el modelo estándar de partículas. La teoría subyacente se basa en la idea de que las distintas especies de neutrinos son  diferentes estados de la misma entidad física que denominamos neutrino.


Figura 6. Oscilaciones del neutrino

Mecanismo de oscilación en el vacío.

En la desintegración beta y más generalmente en las interacciones débiles, el electrón está asociado con una partícula neutra denominada neutrino nu-e. El muón, o leptón mu es una partícula que existe en la naturaleza completamente idéntico al electrón salvo en la masa: m-mu~200me. Análogamente, el muón tiene interacciones débiles idénticas a las del electrón, pero asociadas a su propio neutrino,  nu-mu.
Por ejemplo, un haz de neutrinos producido en un acelerador de partículas puede interactuar con un neutrón n en un núcleo para producir un protón vía las reacciones:

mientras las reacciones siguientes nunca han sido observadas:

Gracias a esto, los neutrinos pueden ser detectados e identificados.
Similarmente, la desintegración de un mesón  se lleva a cabo por dos modos de desintegración: el modo dominante  mientras que las reacciones siguientes nunca han sido observadas: 

Las reacciones anteriores se usan para producir neutrinos abundantemente en los aceleradores, en los cuales se producen neutrinos con un momento bien definido  p. Asumiremos ahora que si m es la masa del neutrino a consideración, y E  es su energía, la masa es tan pequeña que consideraciones experimentales uno tiene E>>mc2. Entonces la energía, el momento y la masa están relacionados por las ecuaciones siguientes:

y, en muy buena aproximación, los neutrinos viajan a la velocidad de la luz, c.

  Sea H el hamiltoniano de un neutrino libre de momento p, y sean  los autoestados de H:

Las energías correspondientes son:

      y 

Suponemos además que las masas de los dos autoestados, m1 y m2, son distintas y que m1 < m2. Entonces, las oscilaciones en el vacío se producen porque los neutrinos vienen en una combinación lineal de autoestados:

donde theta es un ángulo de mezcla.

Ejemplos y aplicaciones sencillas.

Planteémonos una serie de cuestiones con este formalismo:

 (I) En un tiempo t=0, uno produce un neutrino con momento p en el estado |nu-mu>. Calculemos |nu(t)> en términos de |nu1> y |nu2>.

 (II) ¿Cuál es la probabilidad de detectar este neutrino en el estado |nu-e> en un tiempo posterior t?

 (III) La detección se realiza en un blanco localizado a una distancia  l del punto de producción.

 (IV) Asumiendo que el ángulo de mezcla es máximo, esto es, theta = pi/4, ¿cuál es la distancia l donde el número de neutrinos electrónicos es máximo, si ?.

Comprobaremos que los resultados numéricos tienen sentido considerando que los aceleradores actuales tiene una longitud de varios kilómetros.

 (V) En la práctica, los neutrinos se detectan a un kilómetro del punto de producción. Conociendo que el detector es sensible a una disminución del 10% de los neutrinos muónicos, ¿a qué rangos de energía, de masa, , se puede acceder con este método?

Soluciones a las cuestiones planteadas

 (I) Inicialmente, el estado del neutrino es . Entonces, tras un tiempo t:

en donde simplemente hemos aplicado el operador evolución temporal en mecánica cuántica.

 (II) La amplitud de probabilidad para encontrar este neutrino en el estado |nu-e> en un tiempo t resulta ser:

La probabilidad pedida será, entonces,

 , donde  .
 (III) El tiempo de llegada es t=l/c, y la probabilidad será entonces:

 (IV) En este caso, sustituyendo y despejando obtenemos:

que concuerda numéricamente con los datos dados  .

 (V) Para una probabilidad P=0.1, tenemos que

En 1998, la primera evidencia seria para oscilaciones de neutrinos fue anunciada por el artículo mencionado anteriormente de F.Fukuda et al.(1998). El análisis de datos de neutrinos atmosféricos de una exposición de 535 días al detector de Superkamiokande conllevó el siguiente  resultado, en cuanto a cota de masa-energía para el neutrino:

Finalmente, una observación importante: obsérvese que la probabilidad de oscilación entre el neutrino muónico y el electrónico, y su oscilación inversa electrón-muón, tienen la misma probabilidad. Así, si uno asume una masa pequeña para el neutrino y un pequeño ángulo de mezcla, digamos por ejemplo 0.05, entonces la probabilidad de supervivencia de un neutrino electrónico es del orden de un 90%. Por tanto, las oscilaciones en el vacío puras no se espera que resuelvan el problema de los neutrinos solares(SNP).

Esto nos lleva al siguiente punto: El efecto Mikheyev – Smirnov – Wolfenstein (MSW effect): el mecanismo del balancín.

El punto de vista acerca de las oscilaciones de los neutrinos de la comunidad de físicos cambió radicalmente cuando Mikheyev & Smirnov(1985,1986) mostraron cómo la materia amplifica el fenómeno de las oscilaciones, originalmente propuesto por Wolfenstein (1978,1979). Es entonces cuando la restauración del concepto de oscilaciones tomó la delantera entre todas las explicaciones sugeridas para la resolución del problema de los neutrinos solares.
El mecanismo, que también se le denomina “seesaw”, o del balancín, es análogo al fenómeno de regeneración de mesones K. Weinberg(1987) ha descrito este efecto como un análogo exacto del sistema clásico de dos osciladores débilmente acoplados, de ahí el nombre de balancín. Considérese dos péndulos acoplados débilmente, las oscilaciones de un péndulo corresponden a la propagación de neutrinos del electrón y una oscilación del otro corresponde a los neutrinos del muón. El acoplamiento débil, entonces, genera oscilaciones que son transferidas de un péndulo a otro, lo que corresponde a las oscilaciones del neutrino. La presencia de materia cambia la frecuencia de las oscilaciones.
Aunque el trabajo original era numérico, pronto fue entendido analíticamente como un problema de “level-crossing”, esto es, hay una frecuencia de resonancia inducida por el viaje a través de la materia de tal forma que la mayoría de los neutrinos electrónicos se convierten en muónicos o tauónicos. Bahcall ha señalado que esta “asimetría” es posible para rangos muy amplios de parámetros del balancín.
La función de onda en la materia se escribe como:

Aquí, x es la coordenada de la trayectoria del neutrino, mientras que los parámetros de evolución vienen gobernados por la ecuación:

GF es la constante de acoplamiento débil de Fermi y ro(x) la densidad solar de electrones. Si la densidad es nula, la ecuación anterior puede integrarse trivialmente para dar como solución oscilaciones en el vacío. La nueva contribución a los elementos diagonales de la matriz representa la contribución efectiva a la masa del neutrino procedente del scattering neutrino-electrón. Los “índices” de refracción del neutrino del electrón y del muón difieren porque los primeros se dispersan por corrientes neutras y cargadas, mientras que los últimos sólo tienen interacciones neutras.

El mecanismo del balancín proporciona una explicación natural para el patrón observado de flujos de neutrinos. Aunque requiere profunda nueva física, los neutrinos masivos y la mezcla de neutrinos se esperan en modelos extendidos de las interacciones de partículas. Por otra parte, si se probase que este efecto no fuera la solución al problema de los neutrinos solares, todavía aumentará considerablemente la importancia de la física de los neutrinos solares puesto que los experimentos existentes habrán explorado regiones para comprobar la masa del neutrino que son totalmente inaccesibles a cualquier acelerador de partículas, pasado, presente o, incluso, futuro.

EXPERIMENTOS DE DETECCIÓN DE NEUTRINOS

Fundamentalmente hay tres tipos de detectores, de acuerdo a la energía u origen del neutrino que queremos detectar:

(A) Detectores de neutrinos solares.

Los neutrinos solares tienen una energía entre 0 y 20 MeV, dependiendo del tipo de reacción nuclear solar de la que provengan. Bajo tierra, bajo el mar o bajo el hielo, los detectores para su detección se fabrican para observar bien luz Cerenkov emitida cuando un neutrino interacciona con el agua (como KAMIOKANDE o SUPERKAMIOKANDE) bien por la transformación de átomos bajo interacción, siendo radioactivo al átomo remanente (Cloro 37 proveniente de Argón en el experimento HOMESTAKE, o Germanio 71 proviniente del Galio en el experimento GALLEX). Así, los experimentos con estos tipos de neutrinos se pueden dividir en dos grupos: detectores de reacciones radioquímicas y detectores de scattering de electrones.de este último tipo son, entonces, Kamiokande y Superkamiokande mientras que SAGE, GALLEX y HOMESTAKE son radioquímicos.
(B) Detectores en plantas nucleares.

Los antineutrinos que salen de los reactores nucleares se emiten en gran cantidad y emiten una energía media de 4 MeV. El detector usa la reacción de desintegración beta inversa( antineutrino más protón dando lugar a un neutrón más un antielectrón)para detectar antineutrinos. Detecta los fotones emitidos cuando el neutron es absorbido por la materia y cuando el antielectrón procedente de la interacción con el neutrino se aniquila con un electrón de la materia. Este tipo de detección fue el usado por Reines y Cowan en 1956, por CHOOZ,…

(C) Experimentos con fuentes de neutrinos.

En la actualidad, los neutrinos generados por los aceleradores tienen unas energías entre 10 MeV y 100 GeV. Los detectores en este caso identifican a las partículas que salen de la interacción con los neutrinos de alta energía con un protón, un neutrón o un electrón de la materia que integra el detector. Los neutrinos se producen usando un ha de protones y enviado, por ejemplo, contra un blanco de Berilio, filtrado después mediante gran cantidad de materia densa( hierro, tierra,…). Este tipo de experimento ha sido usado por el experimento de Brookhaven que descubrió el neutrino muónico en 1962, CHARM II en 1974, NOMAD y CHORUS en 1995, etcétera.

Una modificación de Superkamiokande llevó a la realización del experimento K2K, decisivo en la verificación experimental de las oscilaciones del neutrino.

Atendiendo a su ubicación se mencionan a continuación:

(A) Detectores subterráneos.

-Fermilab
-S.N.O.(Sudbury Neutrino Observatory)
-S.N.O.(idem, pero via detector Cerenkov y con agua pesada)
-FREJUS( proton decay search)
-Gran Sasso (INFN)
-Experimentos de Gran Sasso: HELLAZ, NOE, BOREXINO, DAMA, GALLEX,
  ICARUS, LVD, MACRO.
-HOMESTAKE ( En una mina, neutrinos solares via cloro 37)
-IMB( Irvine-Michigan-Brookhaven, desintegración del protón)
-SAGE(Soviet American Gallium Experiment)
-SOUDAN-2( Antigua mina de hierro, Minnesota, EEUU)
-SUPERKAMIOKANDE , SUPERKAMIOKANDE 2 Y 3(Japón)
-UK-DMC (UK Dark Matter Collaboration, mina de Boulby)

(B) Detectores en aceleradores de partículas.

-LSND( Lampf 1173,Los Alamos)
-KARMEN
-NOMAD( Neutrino Oscillation MAgnetic Detector)
-CHORUS
-COSMOS(COsmologically Significant Mass Oscillation Search)
-MINOS(Fermilab)
-TAU
-K2K( KEK to KAMIOKANDE)

(C) Experimentos en plantas nucleares.

-CHOOZ o CHOOZ 2( Ardennes, Francia)
-San Onofre.
-MUNU (en el reactor de Bugey)

(D) Detectores bajo mar.

-NESTOR
-BAIKAL
-DUMAND (Deep Undersea Muon And Neutrino Detector)
-International Neutrino Astrophysical Observatory, INAO ( Nuevo grupo de
 3km,BAND: BAIKAL, AMANDA, NESTOR, DUMAND)
(E) Detectores bajo hielo.

-AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector)
-RAND (Radio Array Neutrino Detector)

Breve descripcción de los experimentos clásicos.

(A) GALLEX

Lugar: Italia, cerca de la montaña de Grand Sasso.
Detector: Contenedor con 12.2 toneladas de galio 71 en agua, que tras interaccionar con los neutrinos solares, se convierte en Germanio 71, isótopo radioactivo con vida media de 11.43 días. Se filtra el galio y el eventual germanio mediante un sistema químico permitiendo el aislamiento con gran pureza y efectividad los átomos de germanio, que se cuenten mediante su radioactividad, proporcionando ésta una medida de las interacciones del neutrino. El flujo de neutrinos solares es se deduce a partir de los datos obtenidos.
(B) HOMESTAKE

Lugar: Mina de Homestake, en Dakota del Sur, EEUU.
Detector: Construido en 1967 en el laboratorio de Brookhaven, formado por 615 toneladas de tetracloroetileno. Bajo interacción con los neutrinos, el cloro 37 se transforma en argón 37, radioactivo con vida media de 35 días. Como en Gallex, el argón se aisla y se mide la radioactividad. El número de átomos detectados da el número de interacciones y el flujo de neutrinos solares.

(C) LSND

Lugar: Cerca de Los Álamos, en un acelerador de partículas que produce neutrinos y antineutrinos muónicos con energía del orden de 40 MeV.
Detector: En proceso de toma de datos.

(D) SUPERKAMIOKANDE

Lugar: Mina Kamioka, Japón.
Detector: 11200 fotomultiplicadores que rodean a un tanque de agua con la dimensiones de un cilindro de 41 metros por 39 metros, que contiene 50000toneladas de agua pura. Detecta los neutrinos solares o atmosféricos de energías del orden de 5 MeV. En lo concerniente a los neutrinos solares, Superkamiokande ha detectado unos 44000, que es sin embargo un 37% de los esperados, confirmando los resultados de Gallex, Homestake,…
Además, por debajo de 1 GeV, 1158 sucesos de interacción tipo neutrino mu se detectaron en 1997, mientras que se esperaban 1573. En el mismo período, 1231 sucesos de tipo interacción con un neutrino electrónico se detectaron, mientras que se esperaban 1049. Indican los datos, por ende, una pérdida de neutrinos mu. La interpretación en términos de oscilaciones del neutrino puede llevarse a cabo, si los parámetros se encuentran en una manera adecuada.

(4) Una evidencia definitiva de las oscilaciones: el experimento K2K  (en preguntas)

¿Qué es este experimento?
El experimento K2K toma su nombre por KEK to KAMIOKANDE.
KEK es el laboratorio nacional japonés de física de altas energías, localizado en la ciudad científica de Tsukuba, a unos 40 km hacia el norte de Tokyo. Los instrumentos de que consta KEK incluyen un acelerador sincrotón de protones que puede producir un intenso haz de protones a 12 GeV. Hace unos años, KEK completó la construcción de una fuente de neutrinos para dirigirla hacia Kamiokande.

¿Cómo se lleva a cabo?
En KEK, un haz de 12 GeV constituido por protones se manda hacia un blanco de aluminio que es parte de un sistema magnético. Las interacciones del protón en el blanco producen intensos “jets” de partículas subatómicas. El sistema magnético está formado por grandes estructuras de aluminio que portan intensas corrientes eléctricas que producen campos magnéticos concentrados. Estos campos se manipulan para lograr que las partículas secundarias produzcan neutrinos muónicos mientras se evita que absorban otras partículas en la medida de lo posible. El resultado es un haz integrado casi íntegramente por neutrinos muónicos. Una vez preparados los neutrinos se lanzan hacia un detector cercano formado por 1000 toneladas de agua, rodeado por detectores de efecto Cerenkov, un Superkamiokande en miniatura, más un conjunto de otros detectores, entre los cuales destaca el FGD(Fine Grained Detector). Una vez caracterizados con el detector cercano al laboratorio, el haz se manda hacia la tierra en dirección a Superkamiokande, a 250km de distancia. K2K necesita saber el instante preciso en que se producen los sucesos de emisión y detección de los neutrinos en dos lugares separados a una considerable distancia. Antes de la revolución que supuso el sistema GPS habría sido necesario preparar un conjunto de relojes atómicos para determinar esas medidas. El sistema GPS proporciona en la actualidad una toma de datos de alta precisión, de unos 100 nanosegundos, que es más que suficiente para los propósitos de los científicos. El único problema, por supuesto, son los trámites burocráticos que permitan a los militares americanos conceder el uso de dicho sistema de localización.

¿Cuánto tiempo tarda el neutrino en alcanzar Superkamiokande?
Viajando a casi la velocidad de la luz, pues su masa es casi nula, tarda unos 825 microsegundos. Si sabemos cuándo un protón golpea el blanco en KEK, podemos predecir los neutrinos que deberíamos observar en Kamiokande.

¿Cómo se puede discernir si un neutrino detectado vino realmente de KEK?
Los neutrinos que proceden de KEK tendrán mucha más energía que los neutrinos de rayos cósmicos. Se esperan sólo unos pocos por segundo en el rango de energía adecuado mientras que se puede identificar a los demás claramente como un “background”, una radiación de fondo que no está vinculada a interacciones del neutrino.
¿Se puede medir la masa del neutrino midiendo la velocidad en este experimento?
Aunque los neutrinos masivos viajan a casi la velocidad de la luz, debido a los requerimientos de la relatividad especial, la diferencia es demasiado pequeña para observarla en K2K, puesto que el tiempo de sincronización es bueno solamente durante los 100 nanosegundos que proporciona el sistema GPS. Sin embargo, es mucho mejor que la que necesitamos para la identificación de los neutrinos, que sí nos es permitida.

¿Qué medimos, entonces?
K2K mide el sabor y la energía del neutrino en cada lugar y en cada instante y compara la razón de neutrinos muónicos y tauónicos en los detectores de KEK y Kamiokande. Si las razones difieren, entonces proporcionará una evidencia clara y rotunda de la hipótesis de las oscilaciones de los neutrinos. Sin embargo, sólo podemos saber con este experimento la diferencia de masa entre sabores de neutrinos, no hay resolución experimental para medir su masa absoluta. En particular, además, tampoco se pueden identificar los neutrinos del tauón porque sólo identifica a los neutrinos del electrón y del muón. A pesar de esto, las oscilaciones en neutrinos tauónicos pueden ser observadas por la desaparición de neutrinos, a la manera del experimento Superkamiokande con neutrinos atmosféricos.

Ahora mismo hay, aparte de K2K, tres conjuntos de datos extra que claman oscilaciones de neutrinos. Son los siguientes:

(A) Experimentos con neutrinos atmosféricos( oscilaciones nu-mu, nu-tau):

(B) LSND: Oscilaciones nu-e, nu-muon:

(C) Experimentos con neutrinos solares(se incluye sólo los datos relativos a las masas y no al ángulo de mezcla):

Además, se ha detectado una dependencia de las oscilaciones en función del ángulo zenital y de forma maximal, resultados que son objeto de un acalorado debate. Veáse: Phys.Rev.D,vol.63.A.De Rújula et al.(2001)033001.

Un proyecto experimental futuro: MONOLITH.

Debe su nombre a Massive Observatory for Neutrino Oscillations or LImits on THeir existence. Propuesto en el verano del año 2000, si es aceptado en 2001 comenzará a tomar datos en el año 2005.

Propósito principal: demostrar o rechazar la hipótesis de oscilaciones de neutrinos atmosféricos.

Propósitos secundarios: investigación del flujo de neutrinos atmosféricos, investigación de los efectos de la materia sobre las oscilaciones(efecto MSW), investigación de la naturaleza de las oscilaciones de neutrinos muónicos e investigación de los muones en rayos cósmicos en el rango de energías de 100 TeV.

CONCLUSIONES

A lo largo de más de un siglo hemos aprendido mucho acerca de las interacciones débiles y de los neutrinos, mas éste ha permanecido siempre envuelto en cierto aire de misterio.

Desconocemos aún los valores de su masa y su momento magnético con precisión, aunque la existencia probada y confirmada en los últimos experimentos realizados apuntan a una masa no nula, salvo algunas propuestas más exóticas que reivindican el fenómeno de las oscilaciones como un aspecto que va más allá de que tenga masa nula o no el neutrino.
El problema de los neutrinos solares fue la primera evidencia indirecta de las oscilaciones del neutrino y puede entenderse perfectamente en términos de las oscilaciones y el mecanismo del balancín, algo que el resto de soluciones propuestas a este enigma no pueden conseguir.
Otro problema aún por resolver es el de si es una partícula de Majorana (partícula=antipartícula) o de Dirac (partícula distinta de su antipartícula), así como el de la materia oscura y los rayos cósmicos de alta energía, que podrían involucrar a los neutrinos.
El conocimiento de la verdadera naturaleza del neutrino y sus interacciones está a punto de ser desvelado…

BIBLIOGRAFÍA:

-The Solar Neutrino Problem, Annu.Rev.Astron.Astroph.1995,nº33,págs.459-503.

-Unsolved Problems in Astrophysics, por J.Bahcall&J.P.Ostriker,1997,Princeton
 University Press.

-Neutrino Physics, por Klaus Winter, C.U.Press.,1991.

-Fiorentini, G., et  al.,1998, preprint ApJ (astro-ph/9801185).

-Fukuda et al.,Phys.Rev.Lett.81,1562(1998).

-Flogi et al.,1997: hep-ph/9709473

-Phys.Rev.D,vol.63.A.De Rújula et al.(2001)033001.

-Nucl.Phys.(Proc.Supp.)91(2001) 321-327.K.R.Dienes.
DIRECCIONES ÚTILES EN INTERNET

http://neutrino.kek.jp/k2k_faq.html

http://cupp.oulu.fi/neutrino//nd-sol.html

http://math.ucr.edu/home/baez/physics/solar_neutrino.html

http://www.hep.anl.gov/ndk/hypertext/nuindustry.html

EL NEUTRINO EN CIFRAS
(1) Neutrinos en las estrellas.

-Nuestro Sol emite unos 2 x 1038 neutrinos por segundo…Y la Tierra recibe más de 40 mil millones de neutrinos por segundo y cm2, flujo que es indetectable por los cinco sentidos del homo sapiens.

(2) Neutrinos en el Universo.

-En el Big Bang se producieron unos 330 neutrinos por cm3.
-Una estrella produce unos 0.000006 neutrinos por cm3.
-Las explosiones de supernovas producen 0.0002 neutrinos por cm3.

(3) Energías de los neutrinos.(Recordar la equivalencia entre eV y J)

-Energía de los neutrinos del Big Bang, los más numerosos, también los menos energéticos: 0.0004 eV.  (Todavía tendrán una velocidad de unos 2000 km/s si su masa es del orden de 10 eV/c2).
-Energía de los neutrinos procedentes del sol: entre 0 y 20 MeV, dependiendo de su origen.
-Energía de los neutrinos procedentes de reactores nucleares: entre 1 y 10 MeV, energía media 4.0 MeV.
-Energía de los neutrinos procedentes de aceleradores actuales: entre 30 MeV( LSND)y 30 GeV (NOMAD).
-Sección eficaz por interacciones con nucleones: 10-38 cm2 a energía de 1 GeV, creciente con la energía.

ALGUNOS NÚMEROS SORPRENDENTES

-Nuestro cuerpo contiene unos 20 miligramos de Potasio 40, que es beta-radioactivo. Como consecuencia, emitimos unos 340 millones de neutrinos por día sin saberlo o notarlo. Los neutrinos interactúan débilmente, luego hay por tanto 340 millones de neutrinos por díaque reocrren nuestro cuerpo a velocidad cercana( si no igual) a la de la luz hasta los sitios más remotos del universo.

-Un experimento como NOMAD detecta alrededor de un neutrino cada 10 segundos. Éste deposita una media de 27 GeV en el detector. Así, durante la duración del experimento, los neutrinos habrán depositado poco más de 0.03 Julios, que es unas 10 veces menos que la energía involucrada en un estornudo.

-En NOMAD, el detector está “activo” sólo durante algunos milisegundos, En toda la duración del experimento( desde 1994 hasta 1998) el detector permaneció entonces “activo” sólo durante 15 horas.

-También en NOMAD, el detector usa un imán o magneto de 0.4 Teslas ( 2000 veces el campo magnético terrestre) creado por una corriente de 5713 Amperios. Desde 1994 hasta 1998 consumió entonces unos 200 billones de Julios, 10000 veces el consumo eléctrico de un hogar medio en ese mismo período de tiempo( 4 años).

-Cuando caminamos por el campo, resulta que recibimos por segundo unos 400 billones de neutrinos del sol, 50000 millones de la radioactividad natural de la tierra( aunque esto es una estimación mucho más grosera ) y entre 10 y 100 mil millones de neutrinos de las plantas nucleares de todo el mundo. Afortunadamente para todos nosotros, los neutrinos interactúan muy poco. Todavía podemos disfrutar de un buen picnic en el césped.

Juan Francisco Gonzalez Hernández (Mr. Neutrino), 2001.

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