miércoles, 11 de febrero de 2015

Neutrinos, los maestros del escapismo

Cuando crees que me ves, cruzo la pared 
hago chas y aparezco a tu lado,
quieres ir tras de mí, pobrecito de ti, 
no me puedes atrapar.

En los albores del siglo XX, se descubrieron las reacciones nucleares, y que sus productos podían ser de tres tipos, en orden creciente de poder de penetración, alfa, beta y gamma. La producción de partículas alfa (fragmentos consistentes en dos protones y dos neutrones desgajados del núcleo) y gamma (fotones procedentes de la desexcitación de los núcleos) eran fácilmente comprensibles. 
Sin embargo, en la desintegración beta (menos), de forma más misteriosa, un neutrón se convierte en un protón, liberando en el proceso un electrón \[n\to p^+ + e^-\]Posteriormente se descubrió que había núcleos que podían sufrir el proceso contrario (beta más): un protón del núcleo se convierte en un neutrón, liberando un positrón\[p^+ \to n + e^+\]Aún más, todos estos núcleos y alguno más podían seguir un tercer proceso de desintegración, en el que un protón del núcleo reacciona con un electrón de las capas internas para formar un neutrón (captura electrónica): \[p^+ + e^- \to n\]

Los problemas se acumulan: en las reacciones beta, los electrones/positrones deberían salir siempre despedidos con la misma energía, como dispone la conservación de la energía y el momento. En concreto, si nos movemos al sistema de referencia del núcleo sin desintegrar, como antes de la reacción está en reposo, el momento lineal del electrón y del núcleo hijo deben ser iguales en módulo y dirección, y de sentidos opuestos. La energía inicial es \(E = M c^2\), y la final \(E = M' c^2 + m_e  c^2 + \frac{p^2}{2 M'} + \frac{p^2}{2 m_e}\). Si la energía se conserva en este proceso, como las masas de todos los partícipes están determinadas, el momento de las partículas (y por tanto su energía cinética) solo puede tener un valor posible. Así que nos vamos al laboratorio, cogemos una fuente radiactiva beta, y nos ponemos a medir. El resultado que se obtiene es el siguiente (obtenido por primera vez por Chadwick):
Espectro de la desintegración beta del 90Sr: número de electrones detectados en función de la energía (proporcional al canal de detección)
En lugar de que los electrones tuvieran todos la misma energía, se observa una distribución de energías continua, que acaba en el valor previsto por la conservación de la energía: todos los electrones salen con menos energía de la que les correspondería. La situación era muy grave. Tanto que Bohr se vio obligado a rechazar el principio de conservación de la energía (con todo lo que esto supone, ya que según el teorema de Nöther eso significaría que no existe simetría de las leyes físicas por desplazamientos temporales !!!). También presentaba problemas la conservación del momento angular en ciertas reacciones.

Pauli, en una carta a los "queridos damas y caballeros radiactivos" del congreso de Tübingen de 1930, propuso que el espectro de la desintegración beta se debía a que se producía una tercera partícula, que se llevaba parte de la energía (en un proceso a tres cuerpos, hay mucha más libertad a la hora de repartir energía y momento lineal). Aunque no estaba nada convencido de su idea, ya que aunque existieran, estas partículas serían casi imposibles de detectar (como le dijo Debye, "es mejor no pensar en ello, como los nuevos impuestos") ya que tendrían que ser un fermión, tener carga neutra y masa mucho menor que la del electrón (más tarde, Pauli incluso sugeriría que tiene masa nula). Pauli llamó a esta partícula neutrón, aunque dos años más tarde Chadwick descubriría una partícula neutra de masa similar a la del protón a la que también bautizó como neutrón, por lo que Fermi cambió el nombre a neutrino, \(\nu\). Con la aceptación del neutrino, Fermi pudo realizar la primera teoría sobre las interacciones débiles, la fuerza responsable de las desintegraciones beta.


Más neutrinos

En los procesos fuertes y electromagnéticos se observó que siempre que se creaba una partícula fermiónica, se creaba también una antipartícula. Si esto se puede extrapolar a las reacciones débiles (y así es), en una reacción beta-menos se debería crear, junto al electrón, un antineutrino \(\bar{\nu}\), y en las reacciones beta-más, junto al positrón, un neutrino \(\nu\). \[n \to p^+ + e^- + \bar{\nu} \qquad p^+ \to n + e^+ + \nu\]Si aún no se habían observado los neutrinos, ¿tenía sentido hablar de antineutrinos?

En 1956, Cowan y Reines hicieron la primera observación experimental de los antineutrinos: utilizando una fuente de antineutrinos que proporcionara un gran flujo de estas partículas, se propusieron detectar la reacción de "captura antineutrínica", observando la ocurrencia simultánea de neutrones y de fotones debidos a la aniquilación de los positrones: \[p^+ + \bar{\nu} \to n + e^+\]Como fuente de neutrinos, Cowan y Reines pensaron originalmente en detonar una bomba nuclear. Afortunadamente, Fermi les convenció para que usaran los residuos radiactivos del reactor de Savannah River (que era, en ese momento, el más potente). El resultado al principio no fue concluyente, aunque con el tiempo se fueron disipando las múltiples dudas que presentaba el experimento. Así, la idea de la existencia real del neutrino fue tomando forma. Sin embargo, los antineutrinos no eran capaces de producir la reacción de "captura neutrínica" \(\bar{\nu} + n \not\to p^+ + e^-\). Esta reacción sí se observa con neutrinos generados en colisionadores de partículas \(\nu + n  \to p^+ + e^-\). Así pues, neutrinos y antineutrinos participan en distintas reacciones, por lo que son partículas distintas.

En 1937, Anderson, estudioso de los rayos cósmicos, descubrió una nueva partícula (ya era un experto, pues fue el descibridor del positrón). Esta nueva partícula tenía propiedades completamente idénticas al electrón, a excepción de su masa, que era 200 veces mayor. Este "electrón con sobrepeso" recibió el nombre de muón, \(\mu^-\). Su descubrimiento fue bastante inesperado, Rabi al enterarse exclamó "¿Quién ha encargado eso?".
La respuesta a Rabi, via Abstruse Goose

Existen procesos en los que se genera un muón, y en los que vuelve a haber pérdidas de energía y momento (por ejemplo, la desintegración de los piones \(\pi^- \to \mu^- + \bar{\nu}_\mu\)). Lo natural era culpar al neutrino. Sin embargo, Lederman, Schwartz y Steinberger observaron en el acelerador de Brookhaven que los productos invisibles que acompañaban a los neutrinos no se comportan como los neutrinos de Cowan y Reines: \[\bar{\nu}_\mu + p^+ \to n + \mu^+\]Así pues, hay unos neutrinos que van con los electrones, y otros que van con los muones, y son partículas distintas: el neutrino electrónico \(\nu_e\) y el neutrino muónico \(\nu_\mu\) (curiosamente, Lederman & co recibieron el Nobel por distinguir los neutrinos mucho antes que Reines por descubrir el neutrino). Al conjunto de partículas que no interaccionan vía fuerte, electrón, muón y sus neutrinos, se les conoce como leptones. Al club de los leptones hay que sumarle otro "primo del electrón", el tauón \(\tau\), junto con su neutrino correspondiente, \(\nu_\tau\). Las tres repeticiones de un mismo patrón, partícula masiva cargada + partícula ligera neutra, se conocen con el poético nombre de sabores. 


La aguja en el pajar

Los neutrinos solamente interaccionan débilmente, y lo hacen muy poco. Para que te hagas una idea, constantemente estás siendo atravesado por billones de neutrinos (no te preocupes, no son peligrosos excepto en situaciones extremas), la mayoría procedentes del Sol. Aunque sea de noche. Porque los neutrinos son capaces de atravesar completamente la Tierra sin ni tan siquiera inmutarse. Así que es lógico preguntarse, ¿cómo podemos ver los neutrinos?
Imagen del Sol tomada por los neutrinos registrados por SuperKamiokande a través de la Tierra durante 503 días.
Los detectores de neutrinos se basan principalmente en reunir muchas partículas que sirvan como blancos para interaccionar débilmente con ellos. Normalmente se usan grandes depósitos de agua, de miles de toneladas. También es esencial aislar lo máximo posible el detector de otras fuentes de partículas que constituyan un fondo de eventos, como los rayos cósmicos o la radiactividad natural. Por ello, los laboratorios donde se sitúan estos experimentos son subterráneos, bajo grandes cordilleras.
Cuando un neutrino interacciona con la materia del detector, puede liberar partículas cargadas a altas velocidades. Si la velocidad es superior a la velocidad de la luz en ese medio (en el agua, 0.75c), se produce una luz de color azulado llamada radiación Cherenkov (el motivo es similar al estruendo causado por los aviones supersónicos), que se puede registrar mediante fotomultiplicadores.

Algunos de los detectores de neutrinos son el SuperKamiokande en Japón, el Gran Sasso en Italia (famoso por haber detectado neutrinos más rápidos que la luz, lo cual se debió a un fallo en la señal de sincronismo por una fibra óptica mal conectada), y el IceCube, que emplea como medio de detección el hielo de la Antártida.


Los neutrinos, siempre liándola

Los neutrinos son partículas esquivas, por lo que no las conocemos con toda la intmidad que nos gustaría. Por ello, de vez en cuando nos dan sorpresas, algunas agradables y otras no tanto.

El primero vino al observar los neutrinos procedentes del Sol. Los modelos físicos de las reacciones nucleares en el interior del Sol y el modelo estándar permitían calcular el flujo de neutrinos que debían llegar a la Tierra. Sin embargo, usando detectores de cloro capaces de detectar neutrinos electrónicos, se encontró que llegaban muchos menos (en torno a un tercio) de los que deberían.
La solución la aportó Pontecorvo: los tres tipos de neutrinos que hemos visto antes son autoestados del sabor (es decir, de las interacciones débiles), pero no de la masa.\[|\nu_e\rangle = \alpha_1 |\nu_1\rangle + \alpha_2 |\nu_2\rangle + \alpha_3|\nu_3\rangle\] Y para describir la propagación libre, la base que resulta útil es la de la masa: cada una de las componentes evoluciona oscilando a una frecuencia distinta. Estas oscilaciones van interfiriendo, con lo que la probabilidad de que midamos el neutrino como electrónico en vez de muónico o tauónico depende con el tiempo, y en general será distinta de 1. Lo importante es que la frecuencia de las oscilaciones está relacionada con las diferencias de masas de los tres neutrinos. Así que, la existencia de oscilaciones de neutrinos implica automáticamente que los neutrinos tienen masa.
Evolución de un neutrino electrónico (negro), que puede oscilar a neutrino muónico (azul) y tauónico (rojo)


Otra cuestión aún abierta es saber si los neutrinos son su propia antipartícula, es decir, si son fermiones de Majorana. La forma de dilucidar la cuestión es estudiar las reacciones doble-beta: desintegraciones radiactivas en las que dos neutrones se transforman simultáneamente en dos protones, liberando dos electrones y dos antineutrinos. Este proceso solo se ocurre, que sepamos, en doce isótopos, y siempre con periodos de desintegración muy elevados, por lo que su observación es complicada. Si el neutrino es un fermión de Majorana, los dos antineutrinos se pueden aniquilar entre sí en el momento de la desintegración, con lo cual se produce una reacción doble beta sin neutrinos.


Varios experimentos a lo largo del mundo se encargan de buscar este tipo de reacciones. Uno de los más prometedores es el experimento NEXT, situado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, y liderado por Juan José Gómez-Cadenas.

También es un interrogante la masa de los neutrinos. De la existencia de las oscilaciones, podemos concluir que los neutrinos tienen masa. Pero no se sabe cómo obtienen esa masa. El procedimiento habitual para el resto de partículas elementales, el famoso mecanismo de Higgs, sería incapaz de explicar unas masas tan pequeñas. Si los neutrinos son fermiones de Majorana, eso automáticamente les concede una masa, y lo mejor de todo es que el periodo de desintegración de las reacciones doble-beta sin neutrinos permitiría medir directamente su masa. Otra opción es el mecanismo de la sierra, que postula la existencia de neutrinos estériles, de gran masa y que no interaccionan débilmente (por tener helicidad dextrógira), y precisamente su gran masa sería responsable de que los neutrinos comunes tengan masas tan pequeñas. Además, los neutrinos estériles son uno de los candidatos a constituyentes de la materia oscura.


Para saber más

Enrique F. Borja: ¿Está el neutrino? Que se ponga, Reacción beta doble y el secreto del neutrino, Neutrino history, what's NEXT? - Neutrinos. Cuentos Cuánticos.  
Francis R. Villatoro: Nuevos resultados sobre si los neutrinos son partículas de Majorana. La ciencia de la mula Francis.
Experimento NEXT