Física

Los Neutrinos

Publicado por Monica González

En menos de un siglo, el neutrino pasó de una partícula fantasma – propuesta en 1930 por el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) a explicar el balance de energía en una forma de radioactividad,  el llamado decaimiento beta, en una sonda capaz de escrutar el interior de estrellas y de la propia Tierra.

Debido al hecho de interactuar muy raramente con la materia, los neutrinos toman 26 años para ser observados experimentalmente. Este tiempo de observación se debe a la naturaleza única de los neutrinos. Son partículas subatómicas que, a diferencia de otras partículas, no interactúan con la fuerza electromagnética, lo que significa que no pueden ser detectadas directamente. En cambio, los neutrinos solo interactúan a través de la fuerza débil y la gravedad, lo que hace que su detección sea un desafío.

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Para ello ha sido preciso esperar por el advenimiento de reactores nucleares y aceleradores de partículas capaces de producir flujos muy elevados de estas partículas. Estos avances tecnológicos han permitido a los científicos producir y detectar neutrinos en grandes cantidades, lo que ha llevado a importantes descubrimientos sobre estas partículas misteriosas.

Expuestos a detectores de gran masa, los neutrinos pudieron ser finalmente observados. Estos detectores, a menudo ubicados en minas subterráneas para protegerlos de la radiación cósmica, están diseñados para observar las interacciones de los neutrinos con la materia. Cuando un neutrino interactúa con un átomo en el detector, puede causar que una partícula cargada se mueva lo suficientemente rápido como para emitir un destello de luz, que luego puede ser detectado y analizado.

Sabemos hoy que existen tres sabores (tipos) de neutrinos: el neutrino del electrón, cuyo descubrimiento, en 1956 le dio el Nobel 1995 al norteamericano Frederick Reines (1918-1998); el neutrino del múon,  descubierto en 1962 y que le dio el premio de 1988 a los norteamericanos Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger; y el neutrino de Tau, cuya existencia fue inferida por la descubierta del Tau (un leptón), en 1975 y detectado apenas en el 2000.

Con el desarrollo de las técnicas de detección, hemos sido capaces de medir neutrinos producidos por fuentes naturales, o sea, neutrinos producidos por las reacciones termonucleares al interior del Sol y neutrinos generados por el choque de rayos cósmicos contra núcleos atómicos atmosféricos. Estas mediciones han proporcionado una valiosa información sobre los procesos físicos que ocurren en el Sol y en el espacio exterior.

En 1987 casi accidentalmente, los detectores de los experimentos IMB, observaron una decena de neutrinos correlacionados con la explosión de la supernova SN1987A. Este fue un hito importante en la astrofísica de neutrinos, ya que proporcionó la primera evidencia directa de que las supernovas son una fuente importante de neutrinos.

Experimentos que se iniciaron en la década del 80 y que continúan hasta hoy han demostrado que el número de neutrinos del múon producidos en la atmósfera terrestre que llegan a los detectores, no es consistente con lo que esperaríamos teóricamente: ellos parecen estar desapareciendo.

En 1998, el experimento SuperKamiokande, en Japón, demostró por la primera vez que esa desaparición tiene una dependencia con la distancia recorrida por el neutrino. Los diversos experimentos con neutrinos solares, desde el pionero Homestake (Estados Unidos), en 1968, han observado un déficit en el número de neutrinos provenientes del Sol.

La detección de neutrinos cósmicos dio el Nobel de 2001 al norteamericano Raymond Davis Jr. Y al Japonés Masatoshi Koshiba. Este premio reconoció su contribución al desarrollo de técnicas para detectar y medir neutrinos, lo que ha permitido a los científicos estudiar estas partículas en detalle y aprender más sobre su comportamiento y propiedades.

En 2001 y 2002, el experimento Sudbury Neutrino Observatory en Canadá mostró que el déficit de neutrinos solares habla sobre los neutrinos del electrón que, de alguna forma, parecen estar cambiando de sabor en su camino al interior del Sol hacia nosotros. Este fenómeno, conocido como oscilación de neutrinos, implica que los neutrinos pueden cambiar de un tipo a otro a medida que viajan, lo que podría explicar por qué se observan menos neutrinos de los esperados.

En 2003, el experimento Kam LAND en Japón observó, por primera vez, la desaparición de antineutrinos del electrón producidos por reactores nucleares. Este descubrimiento proporcionó más evidencia de la oscilación de neutrinos y reforzó la idea de que los neutrinos tienen masa.

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Todos esos resultados son compatibles con la hipótesis de oscilación cuántica de sabor de neutrinos, o sea, los neutrinos que tienen masa bien definida deben ser combinaciones de aquellos que interactúan con la materia y viceversa. Esta hipótesis ha sido confirmada por numerosos experimentos y ha llevado a una mejor comprensión de la física de los neutrinos.

Para que este fenómeno ocurra, neutrinos precisan tener una masa no nula. Cálculos indican que la suma de la masa de los neutrinos no puede ser inferior a un décimo de millonésimo de la masa del electrón (9,11 x 10-31 kg). Aunque la masa exacta de los neutrinos todavía no se conoce, estos cálculos han proporcionado límites superiores e inferiores que han ayudado a restringir las posibilidades.

El neutrino también puede tener un papel importante en la comprensión del mecanismo de generación de la masa. Los neutrinos son las únicas partículas conocidas que pueden ser su propia antipartícula, un fenómeno conocido como la doble beta sin neutrinos. Si se confirma, este fenómeno podría explicar por qué los neutrinos tienen masa y proporcionar una nueva visión sobre cómo se genera la masa en el universo.

Además, los neutrinos podrían jugar un papel crucial en la resolución de algunos de los misterios más profundos de la física, como la naturaleza de la materia oscura y la expansión acelerada del universo. A medida que continuamos desarrollando tecnologías más avanzadas para detectar y estudiar neutrinos, es probable que estos fantasmales viajeros del cosmos nos revelen aún más secretos sobre el universo en el que vivimos.