7 de octubre de 2015

LA METAMORFOSIS DE LOS NEUTRINOS: PREMIO NOBEL 2015


El momento de anuncio de los ganadores / AFP (REUTERS/LIVE)

El japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald han recibido hoy el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la oscilación de los neutrinos, lo que demuestra que estas partículas tienen masa.

El hallazgo de ambos físicos “ha cambiado nuestra comprensión del funcionamiento más profundo de la materia y puede ser crucial para nuestra visión del universo”, ha dicho la Academia de Ciencias Sueca, que cada año otorga este galardón.

Kajita trabaja en el experimento Super Kamiokande y está afiliado a la Universidad de Tokio. McDonald está adscrito a la Queen’s University de Canadá.

Los neutrinos han sido las partículas más misteriosas del universo. Cada segundo, billones de ellos atraviesan nuestro cuerpo, nuestras casas y el resto del planeta sin dejar rastro alguno, lo que les ha valido el apodo de fantasmas. Parte de ellos se crean en la atmósfera terrestre cuando incide en ella la radiación cósmica y otros son producidos en reacciones nucleares dentro del Sol. Los únicos lugares donde son visibles es en descomunales detectores instalados debajo de montañas, en viejas minas y otros lugares naturalmente protegidos contra cualquier tipo de interferencia por parte de otras partículas más pesadas. Los neutrinos son tan rápidos y ligeros que se pensaba que no tenían masa. 

Hasta los descubrimientos de McDonald y Kajita, se calculaba que gran parte de ellos desaparecen sin explicación posible.

En 1998, Kajita observó la oscilación de los neutrinos gracias al Super Kamiokande, una descomunal piscina con 50.000 toneladas de agua construida a un kilómetro bajo tierra en Japón. En algunas raras ocasiones, cuando un neutrino atraviesa el agua, interactúa con los electrones de este líquido lanzando un destello de luz que permite estudiar su trayectoria y propiedades. Kajita se centró en los neutrinos que llegan desde la atmósfera y observó que estos oscilan entre dos estados o tipos diferentes. Por su parte, McDonald trabajó a más de dos kilómetros bajo tierra, en una vieja mina de níquel de Ontario (Canadá) reconvertida en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury. Gracias a esta instalación, en 2001 comprobó que los neutrinos que se producen en el Sol no estaban desapareciendo en su camino hacia la Tierra, sino que simplemente habían cambiado de tipo, oscilando entre uno y otro igual que los neutrinos atmosféricos detectados en Japón.

Esta metamorfosis se da entre los tres tipos de neutrinos conocidos y explica por qué dos tercios de todas estas partículas, que deberían estar llegando a la Tierra según los cálculos teóricos, no estaban siendo detectadas. Los descubrimientos de ambos físicos explican que estas partículas no desaparecen, sino que oscilan entre tres estados diferentes a los que los físicos llaman sabores y cuya dinámica está regida por la mecánica cuántica.

Los descubrimientos de Kajita y McDonald implican que, a pesar de su fantasmagórica presencia, los neutrinos tienen masa, al contrario de lo que se había pensado durante décadas. Aún se ignora cuál es su masa exacta, especialmenrte porque esta cambia cuando se produce la metamorfosis. Más aún, el modelo estándar, que describe a la perfección el mundo subatómico de la física de partículas y que incluye el bosón de Higgs, se queda corto para explicar al neutrino. Según los cálculos de este modelo, no debería tener masa. Por eso el trabajo de McDonald y Kajita aporta uno de las mayores indicios de que hay una nueva física en el universo que está por descubrir.

Tal como ha afirmado la propia Fundación Nobel, que entrega los premios cada año, «para la física de partículas es un descubrimiento histórico», puesto que «ha demostrado que el modelo estándar (una teoría básica que describe las relaciones entre las interacciones físicas conocidas y las partículas elementales que componen toda la materia) no puede ser la teoría completa de los constituyentes fundamentales del Universo». Sin embargo, varios físicos coinciden en que, en realidad, el reconocimiento no premia un descubrimiento puntual, sino una investigación que comenzó en la década de los sesenta y que revolucionó la teoría hace diez años.

«Estos premios se hacen eco de uno de los descubrimientos más importantes de las últimas décadas.

Y este no es otro que la demostración de que los neutrinos oscilan, lo que demuestra que tienen masa», explica Juan José Gómez Cadenas, investigador del Instituto de Física Corpuscular del CSIC y experto en neutrinos, a través de una conversación telefónica.

«Los modelos físisicos predecían que los neutrinos no tenían masa. Serían como la "basurita" última de la naturaleza y por eso tendrían un rol muy humilde. Pero al confirmarse que tienen masa, de repente adquieren propiedades muy misteriosas. Podrían ser su propia antipartícula. Podría ser que el neutrino fuera el agente que causó el pequeño exceso de materia en el Universo primario. Este exceso podría haber sido el disparador inicial que permitió que ocurriera un evento clave: el dominio de la materia sobre la antimateria».


Antimateria: «el lado oscuro» de la materia


¿En qué consiste este dominio? Justo después del Big Bang, la antimateria y la materia, que se diferenciaban solo en que tenían cargas opuestas, colisionaban y se aniquilaban liberando grandes cantidades de energía, cosa que hoy en día puede reproducirse a pequeña escala en aceleradores de partículas como el CERN. Pero, a partir de un momento dado y por un motivo no del todo claro, los físicos creen que esa energía comenzó a «condensarse» en forma de materia gracias a que el equilibrio entre estos antagonistas se descompensó, y se inclinó del lado de la materia. Por todo ello, en definitiva, Gómez Cadenas considera que «los neutrinos podrían ser la razón por la que ahora estamos hablando».


¿De dónde vienen los neutrinos?


Durante muchos años, los investigadores estudiaron las partículas más escurridizas del catálogo de la física. Apenas interaccionan con la materia convencional, así que son capaces de atravesar la Tierra y todo lo que haya en ella con total impunidad. Además, lo hacen a una velocidad próxima a la de la luz y en una cantidad ingente: se calcula que pasan del orden de 100.000 millones de neutrinos por la uña de un pulgar en tan solo un segundo.

Además de escurridizas, detectarlas requiere usar sensores muy refinados y evitar las interferencias que causan otros fenómenos naturales. Así que los científicos deben acudir a las profundidades de las minas o a potentes observatorios, como el detector Super-Kamiokande, en Japón, o el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, en Canadá, situados en las profundidades.

A pesar de todas estas dificultades, los investigadores pudieron esclarecer el origen de estas partículas, y descubrieron que procedían del Sol y las estrellas, y que también se producían en las capas altas de la atmósfera, donde los rayos cósmicos de alta energía procedentes del espacio interaccionan con ella y provocan reacciones nucleares.


Una anomalía desconcertante


Así las cosas, durante muchos años hubo una «anomalía», porque había una discrepancia entre los neutrinos que se detectaban y los que el modelo predecía que debían detectarse. «Durante mucho tiempo se pensó que había fallos en estas predicciones y/o en los propios experimentos que detectaban la cantidad de neutrinos. Pero gracias a los trabajos premiados hoy, se descubrió por qué ocurría. Y es que en su camino del Sol a la Tierra, los neutrinos oscilan, unos se convierten en otros, como si un viajero saliera llamándose Juan y llegara llamándose Pepe», explica Gómez Cadenas.

Y así, una partícula que pasa sin pena ni gloria por nuestro día a día, de forma literal, revolucionó la física teórica. Héctor Socas, experto en física solar en el Instituto de Astrofísica de Canarias, pone un ejemplo de la importancia que tuvo este hallazgo: «Hasta estos descubrimientos, la física estelar estaba en duda a causa de esta anomalía en los neutrinos. No sabíamos si nuestros modelos estaban mal». Hoy en día, ese gran reactor que es el Sol sigue produciendo enormes cantidades de energía

Los fotones que libera tardan hasta un millón de años en abandonar sus entrañas. Sin embargo, los neutrinos, esas partículas escurridizas que apenas interaccionan con la materia «normal», resbalan por su interior y tardan un poco más de ocho minutos en llegar a la Tierra.


Tres preguntas a un físico de partículas



Qué son los Neutrinos:


A schematic of a neutrino's journey from the neutrino beamline at J-PARC, through the near detectors (yellow dot) which are used to determine the properties of the neutrino beam, and then 295

Los neutrinos (término que en italiano significa ‘pequeños neutrones’, inventado por el científico italiano Enrico Fermi) son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín 1/2. Desde hace unos años se sabe, en contra de lo que se pensaba, que estas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y es muy difícil medirla. Hoy en día (2015), se cree que la masa de los neutrinos es inferior a unos 5,5 eV/c2, lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno. Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima, por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.

La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas, ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.

En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.


Referencia en la Web


The first use of a hydrogen bubble chamber to detect neutrinos, on November 13, 1970. A neutrino hit a proton in a hydrogen atom. The collision occurred at the point where three tracks emanate on the right of the photograph.

A neutrino, in Italian  is an electrically neutral elementary particle with half-integer spin. The neutrino (meaning "little neutral one" in Italian) is denoted by the Greek letter ν (nu). All evidence suggests that neutrinos have mass but that their masses are tiny, even compared to other subatomic particles. They are the only identified candidate for dark matter, specifically hot dark matter.
Neutrinos are leptons, along with the charged electrons, muons, and taus, and come in three flavors: electron neutrinos (ν
e
), muon neutrinos (ν
μ
), and tau neutrinos (ν
τ
). Each flavor is also associated with an antiparticle, called an "antineutrino", which also has no electric charge and half-integer spin. Neutrinos are produced in a way that conserves lepton number; i.e., for every electron neutrino produced, a positron (anti-electron) is produced, and for every electron antineutrino produced, an electron is produced as well.

Neutrinos do not carry any electric charge, which means that they are not affected by the electromagnetic force that acts on charged particles, and are leptons, so they are not affected by the strong force that acts on particles inside atomic nuclei. Neutrinos are therefore affected only by the weak subatomic force and by gravity. The weak force is a very short-range interaction, and gravity is extremely weak on the subatomic scale. Thus, neutrinos typically pass through normal matter unimpeded and undetected.

Neutrinos can be created in several ways, including in certain types of radioactive decay, in nuclear reactions such as those that take place in the Sun, in nuclear reactors, when cosmic rays hit atoms and in supernovas. The majority of neutrinos in the vicinity of the earth are from nuclear reactions in the Sun. In fact, about 65 billion (6.5×1010) solar neutrinos per second pass through every square centimeter perpendicular to the direction of the Sun in the region of the Earth.

Neutrinos are now understood to oscillate between different flavors in flight. That is, an electron neutrino produced in a beta decay reaction may arrive in a detector as a muon or tau neutrino. This oscillation requires that the different neutrino flavors have different masses, although these masses have been shown to be tiny. From cosmological measurements, we know that the sum of the three neutrino masses must be less than one millionth that of the electron.

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