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Premio Nobel de física Neutrinos. Su influencia en la física moderna

Autor: Redacción/miércoles, 13 de enero de 2016/Categorías: Espacio Abierto, Volumen 1 No. 2

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Omar Miranda Romagnoli
Departamento de Física
omr@fis.cinvestav.mx

Este año, el premio Nobel de Física ha sido otorgado a dos físicos experimentales dedicados al estudio de los neutrinos, que si bien tienen poca interacción con el resto de las partículas conocidas, son de gran relevancia para la ciencia. Su existencia fue propuesta por el físico Wolfgang Pauli en 1930. A pesar de que la radioactividad había sido descubierta desde 1897, el caso conocido como radioactividad beta, o decaimiento beta, no se podía explicar por completo. Las observaciones experimentales mostraban que cuando un núcleo atómico decaía por este canal se liberaba un electrón, que podía tener cualquier energía. Lo esperado era que este electrón abandonara el núcleo atómico a una velocidad fija, llevándose toda la energía liberada por el núcleo. 
Para resolver este problema, Pauli propuso la existencia de una partícula adicional en el decaimiento, la cual se llevaría la energía faltante; una partícula elusiva, difícil de detectar y débil en su interacción con el resto de la materia.

Fue hasta 1956, cuando se confirmó su existencia mediante un detector colocado cerca de un reactor nuclear. Dicho experimento fue realizado por Clyde Cowan y Frederick Reines; este último recibió el premio Nobel de Física en 1995. También en 1956, se notó que la débil interacción del decaimiento beta podría no respetar la simetría entre izquierda y derecha. Al año siguiente esta hipótesis fue comprobada y se puso de manifiesto que los neutrinos son izquierdos, mientras que sus antipartículas, los antineutrinos, son derechos. 

Durante las décadas de 1950 y 1960 se acumularon numerosos datos experimentales sobre las distintas partículas que componen los ingredientes fundamentales de la materia y de sus interacciones. Como culminación de ese proceso surgió el Modelo Estándar de las Partículas Elementales, donde existen ‘bosones’ portadores de energía, como los fotones que transmiten la interacción electromagnética y nos dan la luz del sol y las señales de radio. 

Existen tres familias fundamentales de ‘fermiones’; la primera compone básicamente toda la materia que conocemos en nuestra vida cotidiana, incluidos los electrones, y también los   neutrinos y antineutrinos del electrón. Además de esta primera familia de ‘fermiones’, existe una segunda y otra tercera, copias idénticas de la primera, pero con mayor masa. 

Desde la formulación del Modelo Estándar, a finales de la década de 1960, y hasta finales del siglo XX, un gran grupo de científicos defendía esa hipótesis, que postulaba que los neutrinos no tenían masa; esto facilitaba la explicación de la violación de paridad descubierta en la década de 1950. En paralelo, existía otro nutrido grupo de científicos que dudaba de esta hipótesis, basados en que el neutrino sería el único ‘fermión’ con masa cero. La polémica fue resuelta por las colaboraciones experimentales que encabezaron los investigadores Takaaki Kajita (Colaboración experimental Super-Kamiokande) y Arthur McDonald (Colaboración experimental Sudbury Neutrino Observatory o SNO).

La primera de ellas, la Colaboración Super-Kamiokande, observó los neutrinos que son generados en las capas superiores de la atmósfera terrestre. La Tierra es bombardeada constantemente por rayos cósmicos, protones y núcleos atómicos que llegan de toda nuestra galaxia. Al interaccionar con la atmósfera, estos rayos generan una cascada de partículas, entre ellas, los neutrinos. Al ser partículas que interactúan muy débilmente, se necesitan 50 mil toneladas de agua depositadas en un detector a mil metros debajo de la superficie terrestre para poder observar los neutrinos provenientes de las interacciones de los rayos cósmicos. Cuando uno de ellos llega a ‘golpear’ a un protón del agua, se produce un electrón o un muón de muy alta energía (el muón es el ‘hermano’ del electrón, situado en la segunda familia y 200 veces más pesado). La energía del muón es tan grande que se produce una estela de luz en el agua conocida como radiación Cherenkov, que permite saber la dirección proveniente del neutrino incidente. Al conocerla, se puede saber cuántos neutrinos llegan desde regiones de la atmósfera cercanas al detector (desde la dirección del mediodía) y la cantidad proveniente de las regiones más lejanas, atravesando todo el interior de la Tierra (desde la dirección de la media noche). Esto permitió establecer que los neutrinos lejanos, que habían atravesado los 12 mil 500 kilómetros del diámetro terrestre, eran menos que los cercanos (en este caso el efecto fundamental se detecta en los neutrinos del muón, miembros de la segunda familia de ‘fermiones’).  La variación en estas mediciones fue uno de los indicadores inconfundibles de que los neutrinos tienen masa.

La Colaboración SNO, liderada por Arthur McDonald, se dedicó fundamentalmente a medir los neutrinos procedentes del sol, buscando detectar aquellos provenientes de cualquiera de las tres familias de ‘fermiones’. Utilizando nuevamente la radiación Cherenkov para detectar la dirección de arribo, pudo obtener resultados concluyentes. El modelo estándar solar predice la producción exclusiva de neutrinos de la primera familia, conocidos como neutrinos del electrón. Sin embargo, la colaboración SON demostró claramente que en su camino hacia la Tierra una gran parte de estos se habían convertido en neutrinos de otras familias. 
La única explicación teórica de que evolucionen a neutrinos de familias distintas es la conocida como mecanismo de oscilaciones de neutrinos, la cual requiere inevitablemente que tengan masa. Gracias a estos experimentos, y al esfuerzo de otras colaboraciones y de un gran número de teóricos ha sido posible establecer cuál es el valor relativo del cuadrado de cada una de las masas de los tres neutrinos.

Los esfuerzos de las colaboraciones experimentales respectivas han cerrado una polémica que duró más de 30 años, y junto con una amplia comunidad experimental y teórica han contribuido a conocer, de manera más precisa, las propiedades de estas elusivas partículas. Ahora se abre otra puerta, la búsqueda de respuestas a nuevas preguntas ¿Cuál es la masa absoluta de los neutrinos?  ¿Cómo explicamos la violación de paridad? ¿Cuál es el nuevo Modelo Estándar de Partículas Elementales? Una nueva generación de experimentos y de científicos se integra a esta gran tarea.

Traducción Elizabeth Licona

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