7/12/09

y2a -El Super-K y Neutrino

El Super-K

de Genciencia de Sergio Parra

Días después de hablar del Gran Supercolisionador de Hadrones, una obra faraónica consagrada a objetivos de alta ciencia, esencialmente incomprensible para los ciudadanos de a pie, hoy toca introducirnos en otro aparato que bien podría formar parte la ignota tecnología de los alienígenas de la película Planeta Prohibido o los heechee de la saga de novelas de Pórtico.
Os hablo del Super-K o el Super-Kamiokande. El mayor observatorio de neutrinos del mundo. Esta gigantesca estructura está situada a 1.000 metros bajo tierra, en la mina de Mozumi, en Japón. Tiene un cuerpo cilíndrico de 40 metros de altura por 40 metros de anchura, y en su interior hay 50.000 toneladas de agua pura rodeadas de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores encargados de detectar la presencia casi fantasmagórica de los neutrinos.
Este estrambótico artefacto es necesario porque, como sabéis, los neutrinos son partículas muy esquivas. Aunque nuestro Sol es una fuente gigantesca de neutrinos (se crean durante los procesos termonucleares que se dan en las entrañas de las estrellas) y cada día llegan millones a la Tierra, nos atraviesan limpiamente como si en realidad no existieran.

El funcionamiento del Super-K, muy resumido, sería el siguiente. Al llegar al cilindro de agua, los neutrinos interactúan con las partículas presentes en el tanque y emiten una radiación azulada que es registrada por los tubos fotomultiplicadores. Este destelleno, conocido como radiación de Cherenkov, proporciona información sobre la dirección y la clase de neutrino que ha llegado.
La razón de que el detector deba estar a tanta profundidad, blindado y en galerías subterráneas, es que así se evitan las interferencias de otras partículas que colisionan con la atmósfera y el ruido cósmico.
De ese modo, el Super-K es como un gran observatorio que, sin embargo, no enfoca el cielo sino que se mantiene oculto bajo la tierra, cegado como un topo. Escrutadores del universo que, muy pronto, aumentarán sus virtudes gracias a los nuevos proyectos de construcción en el lago Baikal (Siberia) o el telescopio europeo de neutrinos que se construirá bajo el Mediterráneo.

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Neutrino

Primera observación de un neutrino.

Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, de carga neutra y espín 1/2. Los últimos estudios han confirmado que los neutrinos tienen masa, aunque el valor de ésta no se conoce con exactitud, en todo caso, sería muy pequeño habiéndose obtenido tan sólo cotas superiores con valores aproximadamente 200.000 veces más pequeños que la masa del electrón. 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 partículasya 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.

Contenido

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Historia del neutrino [editar]

Fermión	Símbolo	Masa
Familia del electrón
Neutrino electrónico	$\nu_e^{}$	< 2.5 eV
Antineutrino electrónico	$\bar{\nu}_e$	< 2.5 eV
Familia del muón
Neutrino muónico	$\nu_\mu^{}$	< 170 keV
Antineutrino muónico	$\bar{\nu}_\mu$	< 170 keV
Familia del tau
Neutrino tauónico	$\nu_\tau^{}$	< 18 MeV
Antineutrino tauónico	$\bar{\nu}_\tau$	< 18 MeV

El neutrino fue propuesto por primera vez en 1930 por Wolfgang Pauli para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones

$\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p} + \mathrm{e}^- + \bar{\nu}_e \,$

Pauli interpretó que tanto la masa como la energía serían conservadas si una partícula hipotética denominada «neutrino» participase en la desintegración incorporando las cantidades perdidas. Desgraciadamente la partícula prevista había de ser muy escurridiza, sin masa, ni carga, ni interacción fuerte por lo que con los medios de la época no podía ser detectada. Esto era el resultado de una sección eficaz reducidísima ( $\sigma_{\mu} \sim 10^{-44} cm^2$ ). La idea quedó pues aparcada durante 25 años.

De hecho, la posibilidad de que un neutrino interactúe con la materia es muy pequeña. Se necesitaría un bloque de plomo de una longitud de un año luz para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesasen. (9.46 billones de kilómetros)

En 1956 Clyde Cowman y Frederick Reines demostraron su existencia experimentalmente. Lo hicieron bombardeando agua pura con un haz de 10¹⁸ neutrinos por segundo. Observaron la emisión de fotones subsiguiente y así quedó determinada su existencia. Véase el experimento del neutrino.

En 1987 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron los dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos.

Clases de neutrinos [editar]

Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias: leptónicas (sabores): neutrino electrónico ( n_e ), neutrino muónico (n_m ) y neutrino tauónico ( n_t ) más sus respectivas antipartículas.

Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío. Dada la aleatoriedad del proceso, las proporciones entre cada uno de los sabores tienden a repartirse por igual (1/3 del total para cada tipo de neutrino) a medida que se producen sucesivas oscilaciones. Fue este hecho el que permitió considerar por primera vez la oscilación de los neutrinos, ya que al observar los neutrinos procedentes del Sol (que deberían ser principalmente electrónicos) se encontró que sólo llegaban un tercio de los esperados. Los dos tercios que faltaban habían oscilado a los otros dos sabores y por tanto no fueron detectados. Esto es el llamado "Problema de los neutrinos solares".

La oscilación de los neutrinos implica directamente que éstos han de tener una masa no nula, ya que el paso de un sabor a otro sólo puede darse en partículas masivas.

Implicaciones astrofísicas de la masa del neutrino [editar]

En el modelo estándar se consideraba inicialmente al neutrino como a una partícula sin masa. De hecho, en muchos sentidos se la puede considerar de masa nula pues ésta es, por lo menos diez mil veces menor que la del electrón. Esto implica que los neutrinos viajan a velocidades muy cercanas a la de la luz. Por ello, en términos cosmológicos al neutrino se le considera materia caliente, o materia relativista. En contraposición la materia fría sería la materia no relativista.

En 1998, durante la conferencia 0-mass neutrino, se presentaron los primeros trabajos que mostraban que estas partículas tienen una masa ínfima. Previamente a estos trabajos se había considerado que la hipotética masa de los neutrinos podía tener una contribución importante dentro de la materia oscura del Universo. Sin embargo, resultó que la masa del neutrino era insuficiente, demasiado pequeña para ser siquiera tenida en cuenta en la ingente cantidad de materia oscura que se calcula que hay en el universo. Por otro lado, los modelos de evolución cosmológica no cuadraban con las observaciones si se introducía materia oscura caliente. En ese caso las estructuras se formaban de mayor a menor escala. Mientras que las observaciones parecían indicar que primero se formaron las agrupaciones de gas, luego estrellas, luego proto galaxias, luego cúmulos, cúmulos de cúmulos, etc. Las observaciones, pues, cuadraban con un modelo de materia oscura fría. Por estos dos motivos se desechó la idea de que el neutrino contribuyera de forma destacada a la masa total del universo.

Fuentes de neutrinos [editar]

El Sol [editar]

Generación de neutrinos solares en las cadenas protón-protón

Véase también: Problema de los neutrinos solares

El Sol es la más importante fuente de neutrinos a través de los procesos dedesintegración beta de las reacciones que acaecen en su núcleo. Como los neutrinos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar atravesando también la Tierra. Aparte de las reacciones nucleares, hay otros procesos generadores de neutrinos, los cuales se denominanneutrinos térmicos ya que, a diferencia de los neutrinos nucleares, que absorbe parte de la energía emitida por dichas reacciones para convertirla en neutrinos. De esta forma, una parte de la energía fabricada por las estrellas se pierde y no contribuye a la presión, siendo la razón por la que se dice que los neutrinos son sumideros de energía. Su contribución a la energía emitida en las primeras etapas (secuencia principal, combustión del helio) no es significativa, pero en los colapsos finales de las estrellas más masivas, cuando su núcleo moribundo se encuentra a elevadísimas densidades, se producen muchos neutrinos en un medio que ya no es transparente a ellos, por lo que sus efectos se tienen que tener en cuenta.

Según los modelos solares, se debería recibir el triple de neutrinos que se detectan, ausencia que es conocida como el problema de los neutrinos solares. Durante un tiempo se intentó justificar este déficit revisando los modelos solares. El Sol quema el hidrógeno principalmente mediante dos cadenas de reacciones, la PPI y la PPII. La primera emite un neutrino y la segunda dos. Las hipótesis que se plantearon fueron que, quizá, la PPII tuviera una ocurrencia menor a la calculada debido a una falta de helio en el núcleo favorecido por algún tipo de mecanismo (frenado de la rotación por viscosidad) que mezclara parte del helio producido con el manto lo cual reduciría la cadencia de la PPII. Actualmente el problema va camino de resolverse al plantearse la teoría de la oscilación de neutrinos.

Fuentes humanas [editar]

Las principales fuentes de neutrinos artificiales son las centrales nucleares, las cuales pueden llegar a generar unos 5·10²⁰ anti-neutrinos por segundo, y en menor medida, los aceleradores de partículas.

Fenómenos astrofísicos [editar]

SN 1987A

Véase también: Supernova

En las supernovas tipo II son los neutrinos los que provocan la expulsión de buena parte de la masa de la estrella al medio interestelar. La emisión de energía en forma de neutrinos es enorme y sólo una pequeña parte se transforma en luz y en energía cinética. Cuando sucedió la SN 1987A los detectores captaron el débil flujo de neutrinos procedentes de la lejana explosión.

Radiación cósmica de fondo [editar]

Artículo principal: Radiación cósmica de fondo

La Tierra y la atmósfera [editar]

Las reacciones de desintegración beta de isótopos radiactivos terrestres proporcionan una pequeña fuente de neutrinos.

Véase también: Radiactividad natural

Detectores de neutrinos [editar]

Al conocerse con exactitud las reacciones nucleares que se dan en el Sol se calculó que un apreciable flujo de neutrinos solares tenía que atravesar la Tierra a cada instante. Este flujo es enorme pero los neutrinos apenas interactúan con la materia ordinaria. Incluso las condiciones del interior del Sol son "transparentes" a éstos. De hecho, un ser humano es atravesado por miles de millones de estas diminutas partículas por segundo sin que se entere. Así pues se hacía difícil concebir algún sistema que pudiese detectarlos.

Detectores basados en procesos radiactivos [editar]

Sin embargo, en 1967 Raymond Davis logró dar con un sistema de detección. Observó que el cloro-37 era capaz de absorber un neutrino para convertirse en argón-37 tal y como se muestra en la ecuación siguiente:

${}^{37}\mathrm{Cl}+\nu_e \rightarrow {}^{37}\mathrm{Ar}+\mathrm{e}^- \,$

Naturalmente, ésta no era la única reacción entre los neutrinos y la materia ordinaria. Lo que tenía de especial el cloro-37 es que cumplía ciertos requisitos para poderse usar en un futuro detector.

a) La sección eficaz de la interacción cloro-37 con un neutrino es bastante grande lo que implica una mayor probabilidad de que tal reacción se produzca
b) El argón-37 es radioactivo por lo que es posible detectar su presencia por sus emisiones
c) El cloro-37, aunque no es el isotopo del cloro más abundante, es muy fácil de obtener.

Normalmente el cloro-37 aparece mezclado con otros isótopos. Particularmente con el cloro-35, el más abundante. Además, se puede tener mezclado con otros átomos o moléculas, siempre conociendo su proporción. Para evitar mediciones falsas debidas al argón-37 ya presente en la mezcla, el primer paso fue efectuar un limpiado del producto. Hecho esto, se debía dejar reposar la mezcla de cloro-37 durante unos meses hasta que llegaba a una situación estacionaria. Esto es cuando la cantidad de argón que se desintegra se iguala a la cantidad que se forma. El momento de equilibrio vendrá determinado por el periodo de semidesintegración.

Para proteger al detector del ruido de fondo producido por la radiación cósmica se enterró el tanque¹ de la mezcla clorada en una mina de oro de Dakota del Sur a mucha profundidad. Sin embargo, las primeras observaciones sólo dieron cotas superiores, compatibles aún con cero². Los resultados eran menores a lo esperado y se confundían con el ruido. Tras repetidos aumentos en la sensibilidad de los instrumentos y en la pureza de la mezcla de cloro-37 se logró, por fin, calcular que nos llegaba aproximadamente un tercio del flujo esperado³. Estos resultados no fueron tomados muy en serio en un principio, por lo que se prosiguió experimentando con mezclas mejores pero también más caras basadas en el galio o el boro.

¹El tanque contenía 380.000 litros de percloretileno, un líquido empleado frecuentemente en tintorerías.

²La sensibilidad inicial del detector estaba prevista para detectar el flujo esperado de neutrinos solares. Pero al estar éste por debajo de la precisión del sistema inicialmente solo se obtuvo una cota superior.

³Se esperaba una media de un neutrino y medio capturado cada día. Pero el resultado fue de solo medio neutrino al día.

Detectores basados en el efecto Cherenkov [editar]

Las dudas acerca de los métodos utilizados por Davis incentivaron la búsqueda de alternativas para la detección de tan escurridizas partículas. Así surgió una nueva línea de detectores que se basaban en la colisión de neutrinos con electrones contenidos en un medio acuoso.

$\nu_e +e^- \rightarrow e^- + \nu_e \,$

Estos detectores se basan en el hecho de que el neutrino al impactar contra un electrón le transmite parte de su momento confiriéndole a éste una velocidad en ocasiones superior a la de la luz en ese mismo medio acuoso. Es en ese momento cuando se produce una emisión de luz característica, conocida como radiación de Cherenkov, que es captada por los fotomultiplicadores que recubren las paredes del recipiente. Como lo que se observa es una transmisión de momento lineal podemos inferir aproximadamente la masa de éstos y la dirección de la que proceden mientras que con el anterior sistema de detección solo podíamos calcular el flujo de neutrinos.

En vez de agua convencional se usa agua pesada porque ésta tiene más probabilidades de capturar neutrinos. Éste es el caso del más famoso detector de neutrinos. El Super-Kamiokande, que recibe su nombre de la mina japonesa de Kamioka. Lo primero que se hizo con este enorme recipiente, de 40 metros de diámetro por 40 de altura dotado de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores, fue detectar los neutrinos procedentes de la supernova 1987A. Luego se midió el flujo de los neutrinos solares corroborando los resultados del detector de Davis. Su mayor éxito ha sido la reciente medición de la masa del neutrino. Fue con el experimento de la supernova con el que el laboratorio se hizo más famoso al poder determinar que la masa del neutrino no era nula llegando a acotar su valor a partir de la medición del retraso con que llegaron los neutrinos procedentes de la explosión. Si estos hubiesen carecido de masa hubiesen llegado junto a los fotones (la luz de la supernova).

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