Neutrinos: una introducción Understand article

Traducido por Susana Cebrián. ¿Qué tienen en común la deriva continental, las centrales nucleares y las supernovas? Los neutrinos, como explica Susana Cebrián.

¿Qué son los neutrinos?

Los neutrinos, así llamados por ser ‘neutros y pequeños’, están rodeándonos por todas partes. Estas diminutas partículas elementales viajan en el espacio con velocidades cercanas a las de la luz y no tienen carga eléctrica. Se pensó durante mucho tiempo que tampoco tenían masa, pero hoy los científicos saben que sí la tienen; se estima que la masa del átomo de hidrógeno es más de mil millones de veces mayor, pero la investigación continúa^w1.

La existencia de los neutrinos, una de las partículas más abundantes en el Universo, fue postulada por el físico austriaco Wolfgang Pauli en 1930 para explicar las observaciones de la desintegración radiactiva beta. Pero solo cuando se construyeron los primeros reactores nucleares se pudo disponer de un flujo de neutrinos (realmente de sus antipartículas, los antineutrinos; véase Landua & Rau, 2008, para más información sobre las antipartículas), procedentes de la desintegración de los fragmentos de fisión, lo suficientemente alto para confirmar su existencia. En 1956, Clyde Cowan y Frederick Reines construyeron dos grandes tanques llenos de agua, unos metros por debajo de la central nuclear de Savannah River, cerca de Aiken, South Carolina, USA, en los que los antineutrinos interaccionaron con los protones del agua (véase el diagrama adjunto). En 1995 le concedieron el Premio Nobel en Física a Frederick Reines por este experimento^w2. Clyde Cowan no pudo compartir el premio pues falleció en 1974.

Existen neutrinos de tres tipos o sabores, de acuerdo con el modelo estándar de la Física de Partículas (véase la imagen): el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico, todos ellos observados experimentalmente. El Premio Nobel en Física de 1988 fue concedido a Leon M Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger por la detección del neutrino muónico^w2.

Se ha propuesto un cuarto tipo, el neutrino ‘estéril’, inmune a la fuerza débil del modelo estándar, y datos recientes refinando medidas realizadas en el Instituto Laue-Langevin^w3 de Grenoble, Francia, en los años 80 apoyan esta idea (Hand, 2010; Reich, 2011). Si se identificasen los neutrinos estériles, se abriría una nueva etapa en la Física más allá del modelo estándar.

Pero incluso los tres tipos confirmados de neutrinos son especiales: oscilan de un sabor a otro – neutrinos electrónicos, muónicos y tauónicos pueden irse intercambiando. Este fenómeno se observó por vez primera en 1998 en el experimento^w4 japonés Super-Kamiokande, en el que se verificó la ‘desaparición’ de neutrinos muónicos producidos en la atmósfera, transformándose en principio en neutrinos tauónicos. Un nuevo experimento ha ratificado el efecto desde otra perspectiva – registrando la ‘aparición’ de un neutrino tauónico en lugar de la desaparición del muónico: tras estar recibiendo durante tres años un haz de neutrinos muónicos desde el CERN^w5, en Ginebra, Suiza, un neutrino tauónico fue detectado en 2010 en el detector OPERA situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso^w6, en Italia, a 730 km de distancia (véase la imagen).

La observación de oscilaciones además resolvió un misterio de más de 40 años: los científicos siempre habían detectado menos neutrinos electrónicos procedentes del Sol de los esperados. En 2001, el experimento Solar Neutrino Observatory^w7 en Canadá demostró que esos neutrinos cambian de sabor en su camino hasta la Tierra (Bahcall, 2004). Hay en marcha más experimentos para analizar las oscilaciones de neutrinos, por ejemplo en Francia y Japón, donde aceleradores y reactores nucleares proporcionan flujos elevados de neutrinos y antineutrinos para su observación^w8.

¿De dónde vienen los neutrinos?

Los primeros neutrinos se originaron hace unos 14 mil millones (14 x 10⁹) de años, 10^-43 segundos después del Big Bang. Apenas un segundo después, ya habían escapado de la sopa caliente y densa de partículas primarias; los científicos todavía tratan de poder detectar estos neutrinos supervivientes del Big Bang.

La débil interacción de los neutrinos con la materia es lo que dificulta tanto su detección, pero es también lo que los hace interesantes para los científicos. A diferencia de muchas otras partículas, los neutrinos pueden escapar de regiones densas como el núcleo del Sol o la Vía Láctea, y pueden viajar grandes distancias desde galaxias lejanas sin ser absorbidos, trayendo información de esas regiones. En este sentido los neutrinos son mensajeros del cosmos y la astronomía de neutrinos está cobrando más y más importancia.

Hasta ahora, solo se han observado neutrinos de dos fuentes extraterrestres: el Sol y las supernovas. Raymond Davis Jr y Masatoshi Koshiba recibieron el tercer Premio Nobel en Física relacionado con neutrinos en 2002^w2 por la detección de neutrinos solares y de supernovas. Como otras estrellas, el Sol emite neutrinos electrónicos en varias etapas del proceso en el cual núcleos ligeros se fusionan dando otros más pesados (véase la imagen, y para profundizar Westra, 2006, y Boffin & Pierce-Price, 2007); más de 10¹⁰ neutrinos solares inciden en la Tierra por centímetro cuadrado cada segundo. A diferencia de los fotones, que tardan unos 100000 años en viajar desde el núcleo solar hasta la fotosfera antes de llegar velozmente a la Tierra, los neutrinos liberados en el mismo proceso de fusión hacen el trayecto completo en apenas 8 minutos. Por ello, los neutrinos solares son valiosos mensajeros con información actual sobre la fusión solar, como la composición química de su núcleo^w9.

Supernova neutrinos are the result of the violent end of some stars, which explode and produce even more neutrinos than photons (see Székely & Benedekfi, 2007): in 1987, several detectors registered an unusually strong signal (several events within a few seconds, as opposed to the usual frequency of about one per day), attributed to neutrinos from supernova SN1987A in the Large Magellanic Cloud. To allow astronomers to prepare to observe these events, several neutrino detectors are now linked together as the Supernova Early Warning System^w10, because during these stellar explosions, the neutrinos are released before the photons that the astronomers seek to detect.

Pero los astrónomos no son los únicos científicos interesados en los detectores de neutrinos. En la Tierra hay fuentes de neutrinos tanto naturales como artificiales: el material radiactivo en el interior de la Tierra puede sufrir desintegraciones beta, generando geo-neutrinos. También los reactores nucleares de fisión producen antineutrinos y hay aceleradores de partículas dedicados a generar haces de neutrinos para investigación. Estos neutrinos son interesantes para los físicos de partículas, para caracterizarlos, pero también para geólogos e incluso para los políticos (véase ‘Neutrinos as nuclear police’ y ‘Powering Earth’).

Por último, cuando los rayos cósmicos penetran en la atmósfera, se producen neutrinos atmosféricos en las desintegraciones de piones y muones. Esta abundante fuente natural de neutrinos en la Tierra es un problema para los astrónomos de neutrinos (véase más adelante ‘Cómo detectar neutrinos’), interesados en neutrinos que vienen del espacio exterior, pero proporciona a los físicos de neutrinos otra forma para estudiar sus partículas favoritas.

Cómo detectar neutrinos

Los neutrinos son muy valiosos para estudiar fenómenos astronómicos y cosmológicos y se están construyendo detectores de neutrinos por todo el mundo, a grandes profundidades para eliminar el ‘ruido’ de otras partículas. IceCube^w11 recién terminado, es el más grande de ellos: un kilómetro cúbico de hielo en el Polo Sur, funcionando como telescopio de neutrinos de fuentes astrofísicas (véanse las imágenes). Al chocar un neutrino con un protón del hielo antártico se genera un muón. Al ser una partícula cargada viajando a una velocidad mayor que la de la luz en ese medio (aunque inferior a la velocidad de la luz en vacío), el muón genera un cono de luz azul – radiación Cherenkov, el equivalente fotónico a una explosión supersónica, que también se produce en algunos reactores nucleares.

Miles de sensores ópticos, en una red tridimensional a 1,5-2,5 km de profundidad en el hielo, detectan esta luz; combinando los datos se puede determinar la energía del neutrino y su dirección original. Para distinguir los muones generados por los neutrinos cósmicos de los millones de muones más producidos por los rayos cósmicos en la atmósfera por encima del detector, IceCube usa la Tierra como filtro, buscando solo muones que llegan por abajo. Los neutrinos son las únicas partículas capaces de atravesar la Tierra sin alterarse, por lo que los muones en esa dirección tienen que haber sido producidos por neutrinos cósmicos.

Otros detectores usan materiales y estrategias diversos pero todos ponen todo el material que es posible en el camino de los neutrinos, tratando de hacerlos interaccionar y que se pongan de manifiesto.

Neutrinos como policía nuclear

La detección de armas y material nuclear es importante por muchas razones, incluyendo la prevención de la proliferación nuclear y el terrorismo. Los científicos han propuesto que los detectores de neutrinos de metros cúbicos puedan ser usados para monitorizar y salvaguardar los reactores nucleares sin afectarles^w12.

Actualmente, los reactores se monitorizan indirectamente (por ejemplo usando satélites, emisiones de polvo y gas, y señales sísmicas y de infrasonidos para pruebas de armas), lo que puede crear equívocos. Los detectores de neutrinos proporcionan información en tiempo real sobre la potencia del núcleo del reactor e incluso hasta sobre su composición isotópica. Un conjunto de unos 500 detectores por todo el mundo podrían calcular la potencia producida por reactores individuales, permitiendo la detección de ensayos clandestinos de armas nucleares.

Impulsando a la Tierra

Los neutrinos se usan también en geofísica. La desintegración natural de uranio, torio y potasio en la corteza y el manto terrestres mantiene el flujo de material fundido en corrientes convectivas, lo que es relevante para la deriva continental, el corrimiento del fondo marino, erupciones volcánicas y terremotos.

Hay varios modelos para estas emisiones, dependiendo de la composición de la corteza terrestre. Así, los geo-neutrinos producidos pueden dar respuesta al problema de la composición de la corteza. Los geo-neutrinos se detectaron por vez primera en 2005 en el experimento KamLAND^w13 en Japón, aunque la abundancia de centrales nucleares en la zona limitó los estudios, pues los antineutrinos que estas producen tienen un espectro energético similar al de los geo-neutrinos. En 2009, el equipo internacional del proyecto Borexino^w6, ^w14 tuvo más éxito, al tener menos centrales nucleares en sus alrededores, por lo que finalmente se recogió un número estadísticamente significativo para poder determinar las cantidades relativas de uranio, torio y potasio.

Mientras has estado leyendo este artículo, unos 10 000 000 000 000 000 neutrinos te han atravesado sin darte cuenta. Pequeños, pero con el poder de confirmar o refutar unas cuantas teorías científicas.

Agradecimientos

Los editors quieren agradecer a Dr Christian Buck, físico de neutrinos en Max-Planck-Institut für Kernphysik (Max Planck Institute for Nuclear Physics), Heidelberg, Alemania, por su consejo en el desarrollo del artículo.

References

• Bahcall J (2004) Solving the mystery of the missing neutrinos. Nobelprize.org. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/bahcall
• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: todos somos polvo de estrella. Science in School 4: 61-63.
• Hand E (2010) Hunt for the sterile neutrino heats up. Nature 464: 334-335. doi: 10.1038/464334a
  • El artículo puede descargarse gratis aquí, o suscribiéndose a Nature: www.nature.com/subscribe
• Landua R, Rau M (2008) El LHC: acercándose al Big Bang. Science in School 10: 26-33.
• Reich ES (2011) The amazing disappearing antineutrino. Nature. doi: 10.1038/news.2011.202
• Székely P, Benedekfi O (2007) Fusión en el Universo: cuando una estrella gigante muere… Science in School 6: 64-68.
• Westra MT (2006) Fusión en el Universo: la energía del Sol. Science in School 3: 60-62.

Web References

• w1 – Científicos de University College of London han estimado la masa del neutrino: www.ucl.ac.uk/news/news-articles/1006/10062204
  • Las esperanzas para obtener las medidas más precisas están puestas en el experimento KATRIN, en Karlsruhe, Alemania: www-ik.fzk.de/~katrin
• w2 – Lee más sobre el experimento de Reines y Cowan en: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf
  • Para saber más acerca de los Premios Nobel en Física de 19988, 1995 y 2002, visita: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates
• w3 – El Instituto Laue-Langevin opera una de las fuentes de neutrones más intensas del mundo. Es miembro de EIROforum, el editor de Science in School. Véase: www.ill.eu
• w4 – Para más información sobre el experimento japonés Super-Kamiokande, véase: www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html
• w5 – Para saber más acerca del CERN, el laboratorio de Física de Partículas más grande del mundo y uno de los ocho miembros de EIROforum, el editor de Science in School, visita: www.cern.ch
  • Para leer más sobre la exitosa detección de un neutrino muónico transformado en uno tauónico en las notas de prensa del CERN, véase: http://public.web.cern.ch/press ó usa el enlace directo: http://tinyurl.com/64cvhr5
  • También se puede ver un vídeo sobre el tema: www.youtube.com/watch?v=M3aB_zUZ1c8
• w6 – El Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en los Abruzzo cerca de L’Aquila, Italia, es el mayor laboratorio subterráneo del mundo para experimentos de Física de Partículas, Astrofísica de Partículas o Astrofísica Nuclear, y alberga a los experimentos OPERA y Borexino. Para saber más, visita: www.lngs.infn.it
• w7 – Para más información sobre el experimento canadiense Solar Neutrino Observatory, véase: www.sno.phy.queensu.ca
• w8 – En Francia y Japón se han instalado nuevos detectores para seguir analizando las oscilaciones de neutrinos. Véase: http://doublechooz.in2p3.fr and http://jnusrv01.kek.jp
• w9 – Para averiguar más cosas sobre la investigación actual en neutrinos solares, véase: http://arxiv.org/pdf/0811.2424
• w10 – La págin web de Supernova Early Warning System es: http://snews.bnl.gov
• w11 – Para más información sobre los proyectos de investigación en marcha en IceCube, véase: http://icecube.wisc.edu
  • Olivier Hainaut del European Southern Observatory (ESO), el observatorio astronómico más productivo del mundo, que es miembro de EIROforum, habló a los científicos de IceCube durante las 24 horas de emisión web en vivo ‘Around the world in 80 telescopes’ celebradas en el Año Internacional de la Astronomía 2009. Comienza a ver el vídeo desde el minuto1:27: www.eso.org/public/videos/10msouthpole
  • La página web de ESO es: www.eso.org
  • Para más recursos en astronomía, consulta:
  • Starr C, Harwood R (2009) Education resources for the International Year of Astronomy. Science in School 13.
• w12 – Para aprender más sobre la idea de detectar reactores de fisión secretos usando neutrinos, véase: http://physicsworld.com/cws/article/news/44411
• w13 – Si quieres saber más sobre el experimento KamLAND en Japón, visita: http://kamland.lbl.gov
• w14 – Descubre lo ultimo sobre el experimento Borexino en: http://borex.lngs.infn.it

Resources

• El experimento Booster Neutrino Experiment y Interactions.org han creado interesantes folletos informativos sobre neutrinos, que pueden descargarse libremente. Véase: www-boone.fnal.gov/about/nusmatter (Neutrinos Matter) y www.interactions.org/pdf/neutrino_pamphlet.pdf (Neutrino Odyssey)
• La página web del proyecto IceCube ofrece una original actividad de aprendizaje llamada ‘popcorn neutrinos’, con la que los estudiantes pueden descubrir los fundamentos de la desintegración beta. Visita: www.icecube.wisc.edu o utiliza el enlace directo: http://tinyurl.com/45ytuq7
• Las transparencias de tres presentaciones sobre la investigación de neutrinos para escolares, disponibles en alemán, se encuentran en: www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/PamS0708.htm
• Particle Adventure proporciona una divertido recorrido interactivo por la Física de Partículas: http://particleadventure.org
• El proyecto Contemporary Physics Education Project ofrece a estudiantes y profesores hojas de trabajo en inglés y español para actividades en el aula sobre Física de Partículas, incluyendo una sobre leyes de conservación, siguiendo los pasos de Pauli al postular el neutrino (Actividad 5). Véase: www.cpepweb.org/Class_act.html
• El Science and Technology Council de UK ha creado una guía de recursos para la enseñanza de Física de Partículas. Véase: www.stfc.ac.uk/Public and Schools/2563.aspx

Institutions

Author(s)

Susana Cebrián es profesora en la Universidad de Zaragoza, España, trabajando en varios experimentos en el campo de la Física de Astropartículas en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, España.

Review

Los neutrinos son partículas raras – pequeñas pero fascinantes. Este artículo describe su origen, propiedades y detección de un modo asequible. Es una buena lectura general para profesores de Física, pero también puede ser el punto de partida para estudiantes que desarrollen un trabajo sobre el tema o para estimular discusiones, por ejemplo sobre Física de Partículas en general, el modelo estándar, la Física de detectores, el CERN, la Astrofísica o las radiaciones.

El artículo es útil fundamentalmente para clases de Física, pero contiene vínculos con las Ciencias de la Tierra. Para hacer accesible el tema también a los estudiantes más jóvenes (sobre los 14 años), recomiendo a los profesores seleccionar partes del artículo para su discusión.

Gerd Vogt, Austria

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