Supernovas y neutrinos

El neutrino es una de las partículas más misteriosa que existe. Desde que fue propuesto por Pauli en 1930, para explicar la no conservación de la energía en las desintegraciones beta, hasta que se observó y se descubrió que no sólo existía una clase de neutrino y que este podía oscilar entre los diferentes «sabores», el objetivo de los físicos de partículas ha sido entender todas sus propiedades físicas y como interacciona con otras partículas.

Se ha tratado, por tanto, de una búsqueda de conocimiento del neutrino en sí mismo.

Pero los neutrinos no sólo sirven para aumentar nuestro conocimiento respecto a la propia partícula, sino que también nos ayudan a entender el universo y como se producen algunos fenómenos tan fascinantes como son las explosiones de supernova.

This image shows the remnant of Supernova 1987A seen in light of very different wavelengths. ALMA data (in red) shows newly formed dust in the centre of the remnant. Hubble (in green) and Chandra (in blue) data show the expanding shock wave.

Resto de la supernova 1987A (Fuente: Wikipedia)

Sabemos que hay tres sabores o tipos de neutrinos: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. En una explosión de supernova, no se producen todos los tipos de neutrinos al mismo tiempo y son emitidos simultáneamente al espacio con la misma energía. Muchos de estos neutrinos se producen en el colapso del núcleo de la estrella. Al menos eso es lo que se piensa a través de modelos teóricos y simulaciones ya que no entendemos muy bien la dinámica del colapso. La observación de neutrinos procedentes de supernovas, promete ser una fuente de información importante para entender el proceso que tiene lugar en el colapso del núcleo que produce la supernova.

Los neutrinos son unas partículas que interactúan muy débilmente con la materia y es altamente improbable detectar un neutrino directamente.

Debido a las características de los neutrinos emitidos en una explosión de supernova y a su distancia, un detector de estos neutrinos en la tierra tiene que cumplir una serie de características:

  • Ha de tener un umbral de detección que permita detectar neutrinos con energías muy bajas, del orden de unos pocos MeV (mega electrón voltios).
  • Ha de poder detectar todos los sabores de neutrinos.
  • Ha de tener una buena resolución energética, temporal y angular para poder medir bien las distribuciones temporales y energéticas de todos los sabores de neutrinos.

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Detalle de la construcción del detector HALO en SNOLab. HALO es un detector dedicado la estudio de los neutrinos procedentes de supernovas (Fuente: https://www.snolab.ca/halo/)

Uno de los principales problemas que existen a la hora de observar neutrinos es que su procedencia es muy diversa. Pueden proceder de rayos cósmicos, del Sol, de reactores nucleares o de la propia radiactividad natural. Podríamos pensar que si queremos detectar neutrinos procedentes de una supernova, deberíamos tener en cuenta todos este fondo de neutrinos adicional y quitarlo de la señal detectada de la supernova. Lo cierto es que no es tan necesario, ya que los neutrinos procedentes de la supernova llegan a la tierra en un momento determinado y durante un corto periodo de tiempo de unos 10 segundos.

Antes hemos mencionado que los neutrinos en sí mismos son difíciles de detectar directamente, entonces ¿cómo podemos detectar los neutrinos procedentes de una supernova? No buscamos los neutrinos, sino los resultados de la interacción de un neutrino con la materia.

A las energías que esperaríamos encontrar neutrinos procedentes de supernovas (menos de 100 eV) podemos tener diferentes procesos nucleares en la interacción de un neutrino con la materia.

Dispersión elástica con electrones. Un neutrino de cualquier tipo choca con un electrón y hace que tanto el electrón como el neutrino incidente modifiquen su trayectoria. Detectando el electrón podemos saber dirección del neutrino ya que el electrón es dispersado en la dirección del neutrino. La probabilidad de que ocurra este proceso es muy pequeña comparada con otros, pero cuando ocurre da información sobre la dirección que lleva el neutrino y se puede identificar donde está la fuente de neutrinos (la explosión de supernova)

Desintegración beta inversa. Este proceso se da sólo para neutrinos electrónicos. En él, un antineutrino electrónico choca contra un protón y la reacción da lugar a un neutrón y un positrón. Aquí podemos detectar como el positrón generado pierde energía y como los neutrones son capturados por otros núcleos para producir rayos gamma. Para que ocurra esta interacción la energía del neutrino tiene que estar por encima de 1.8 MeV.

Dispersión elástica con protones. Ocurre igual que en la dispersión elástica con electrones, sólo que el neutrino choca contra un protón. Tiene una probabilidad de que ocurra cuatro veces más pequeña que la desintegración beta inversa. El principal problema es que la energía de retroceso del protón cuando el neutrino choca contra él, es rápidamente eliminada por el resto del núcleo en el que se encuentra el protón y es difícil saber la dirección que lleva el neutrino.

Interacciones de corrientes cargadas. En estas interacciones, con neutrinos electrónicos, el resultado es que el neutrino incidente se convierte en su leptón (electrón o positrón) correspondiente. El neutrino choca contra un núcleo con N neutrones y Z protones, después de la colisión, el núcleo se convierte en un núcleo con N+1 neutrones y Z-1 protones. Aquí se puede detectar la pérdida de energía del leptón y además, el núcleo excitado después de la colisión puede emitir otros nucleones y rayos gamma, que sirven para identificar la interacción.

Interacciones de corrientes neutras. Aquí el neutrino (de cualquier tipo) colisiona con un núcleo y éste pasa a un estado excitado. El núcleo excitado puede emitir nucleones o rayos gamma al desexcitarse. La dispersión del núcleo en la colisión tiene una energía de retroceso del orden de los keV (kilo electrón voltios) lo cual queda fuera del rango de detección de los detectores actuales o previstos a corto plazo.

Los neutrinos fueron, y todavía son, unas partículas misteriosas. También son misteriosos los procesos más internos que dan lugar a las explosiones de supernova. Si lo juntamos todo y le añadimos un poco de la física nuclear que conocemos tenemos casi al alcance la mano la posibilidad de entender misterios aún más grandes.

Referencias

Inés Gil-Botella. Detection of Supernova Neutrinos. arXiv:1605.02204v1

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