Cazadores de Neutrinos

El Universo es misterioso y apasionante. Hay tantas cosas por descubrir que es muy probable que no lleguemos a conocer más que una ínfima parte de todo lo que nos rodea en todo el tiempo que exista la raza humana. En el todo el universo existen cosas que podemos observar directamente, teorizar sobre ellas, aplicar todo nuestro aparato matemático y decir que esa porción de nuestra observación se comporta de una determinada manera. Con esa teoría también podemos hacer predicciones futuras sobre comportamientos futuros. Sin embargo, también existen cosas que no podemos observar directamente y, en un principio, sólo podemos teorizar sobre ellas. Pero el ingenio humano y sus ansias de conocimiento no tiene límites y nos las apañamos para poder hacer visible lo invisible.

Al igual que en muchas otras ramas de la ciencia, la física tiene cosas que no se pueden observar y eso las hace más interesantes para los físicos. Nos volvemos locos por conocer lo que no vemos. Un ejemplo claro es la física de partículas. Cuando nos ponemos a investigar que hay en el interior de los átomos, que no vemos directamente, o que ocurre cuando dos átomos chocan a grandes velocidades (y grandes energías), se obtiene una cantidad de información que en muchos casos es desconcertante. Aparecen nuevas partículas más pequeñas que los mismos elementos constituyentes de los átomos. Su comportamiento difiere enormemente de lo que estamos acostumbrados en nuestra experiencia diaria. Aparecen nuevos misterios, que los vamos acumulando en la pila de misterios sin resolver. Los neutrinos son unos de esos misterios.

electron neutrinoNeutrino electrónico (Fuente: Particle Zoo)

Poco después del descubrimiento de la radiactividad, el gran Ernest Rutherford descubrió, en 1899, que una de las maneras en las que la radiactividad se manifestaba era a través de la emisión partículas cargadas negativamente con una carga igual a la del electrón. En un principio, a estas partículas se les llamó partículas beta, debido a que este tipo de radiactividad se conocía como radiactividad beta, hasta que realmente se identificaron con el electrón.

El descubrimiento de este tipo de radiactividad abrió una nueva línea de investigación.

A pesar de los esfuerzos para comprender este tipo de radiactividad, todavía era necesario conocer algunos ingredientes más que faltaban en el conocimiento del interior de los núcleos atómicos, cosa que sucedería después del descubrimiento de la radiactividad beta.

Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones. El protón fue descubierto por el propio Rutherford en 1919. La existencia del neutrón fue propuesta un año después por Rutherford para explicar por qué los núcleos atómicos no se desintegraban debido a la repulsión eléctrica de los protones. Otros muchos científicos, teorizaron sobre la existencia del neutrón en años posteriores y fue finalmente descubierto experimentalmente en 1932 por James Chadwick.

Una vez se conocían todos los elementos del núcleo atómico, se podía ya empezar a teorizar sobre la radiactividad beta. Las observaciones implicaban que el electrón era emitido por el núcleo, pero se sabía que los núcleos estaban formados sólo por neutrones y protones, así que era imposible que el electrón estuviera dentro del núcleo. La explicación que se dio fue que un neutrón del núcleo se transformaba en un protón emitiendo, al mismo tiempo, un electrón.

Sin embargo, de la ecuación de Einstein E = mc2, se esperaba que el electrón se llevara, en forma de energía cinética, la diferencia de masas entre el núcleo inicial y el núcleo resultante tras la emisión del electrón. Es decir, se esperaba que se conservara la energía. Pero esto no sucedía. La conservación de la energía es uno de los principios básicos de la física, así que cuando no se conserva pueden pasar dos cosas, o estamos haciendo algo mal o hay algo nuevo que todavía no conocemos. Esto último es lo que pasó.

En 1930, Wolfgang Pauli propuso la existencia de una partícula sin carga se emitía junto con el electrón, de manera que la energía total se conservara. Esta nueva partícula no se había detectado aún. Aunque Pauli le puso el nombre de neutrón, fue Fermi quien la renombró como neutrino, debido al descubrimiento del neutrón en 1932, cuando lo incorporó a su teoría sobre la radiactividad beta.

El problema es que el neutrino seguía sin ser descubierto. Incluso Pauli creía que había postulado una partícula que nadie podría detectar nunca ya que era tan pequeño, de hecho se pensaba que no tenía masa, y sin carga eléctrica que era imposible que interactuara con cualquier tipo de materia, incluso la de los instrumentos más sofisticados de la época.

Todo cambió con la llegada de los reactores nucleares de fisión. La fisión nuclear utiliza núcleos muy pesados que cuando se fisionan se generan otros elementos cuyos núcleos tienen tal cantidad de neutrones (isótopos) que es imposible que sean estables, por lo que estos mismos neutrones se desintegran emitiendo electrones y (anti)neutrinos, es decir, emiten radiactividad beta. Aunque un solo neutrino es muy difícil de detectar, cuando se tienen muchos la probabilidad de detectar al menos uno aumenta.

CentralNuclear

Central nuclear de Zorita ya cerrada (Fuente: propia)

Se empezaron a diseñar experimentos cada vez más grandes, con detectores cada vez más sofisticados, con la intención de detectar el neutrino. Pasaron muchos años desde que se postuló su existencia y se estableció el proceso de desintegración beta, hasta que se descubrió el neutrino. Fue en 1956 cuando Reines y Cowan consiguieron por fin detectar una señal clara que confirmó que el misterioso neutrino, había sido descubierto… y lo hicieron buscando la desintegración beta inversa.

Como hemos visto antes, la desintegración beta consiste en que un neutrón, se transforma en un protón emitiendo un electrón y un neutrino. En realidad, se trata de un antineutrino, ya que al combinar el formalismo cuántico con el relativista se encuentra que cada partícula tiene su antipartícula, es decir la misma partícula pero con cargas opuestas. En el caso del neutrino, al no tener carga, no está todavía muy claro si el neutrino y el antineutrino son la misma partícula (partículas de Majorana) o son diferentes (partículas de Dirac), pero eso lo dejamos para otra ocasión. La desintegración inversa consiste en que un antineutrino colisiona con un protón produciendo un neutrón y un positrón (la antipartícula del electrón, que es como un electrón pero con carga positiva).

Para llevar a cabo su descubrimiento, Reines y Cowan llenaron tanques con 400 litros de agua y disolvieron en ellos 40 kg de cloruro de cadmio (CdCl2). Estos tanques estaban a una profundidad 12 metros bajo la superficie para protegerlo de los rayos cósmicos que podían interferir en las medidas, y a 11 metros del centro del reactor de Savannah River donde se generaban los neutrinos. En la parte superior del tanque, por encima del nivel del agua, pusieron detectores de centelleo líquidos y tubos fotomultiplicadores por debajo para detectar la luz de centelleo. El positrón era detectado cuando se frenaba y colisionaba con un electrón del contenido del tanque, aniquilándose ambos y emitiendo dos rayos gamma que eran detectados al mismo tiempo por los detectores de centelleo y los tubos fotomultiplicadores. El neutrón era también frenado por el agua y capturado por el cadmio microsegundos después de la captura del positrón. En esta captura del neutrón varios rayos gamma eran emitidos también que eran detectados por los detectores de centelleo justo después de la detección de los dos rayos gamma resultantes de la aniquilación del positrón. Este retraso se podía predecir teóricamente, con lo que si lo que se medía experimentalmente coincidía con lo predicho, se demostraba que era el neutrino el que había desencadenado la reacción.

reinescontrols

Reines y Cowan en el centro de control (Fuente)

De esta manera comenzaba una nueva era en la investigación de lo desconocido, de lo pequeño e invisible, de los neutrinos. Pero aún quedaban muchas sorpresas, ya que lo que habían detectado era sólo una de las variedades de neutrinos, los neutrinos electrónicos. Más adelante otros experimentos detectarían otras variedades de neutrinos.

Pero no nos adelantemos…

Referencias:

T2K Experiment

First Detection of the Neutrino by Frederick Reines and Clyde Cowan

Neutrino. Frank Close. RBA Divulgación

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