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

Más sabores

El zoo de partículas subatómicas ha ido creciendo a lo largo de los años desde el descubrimiento del electrón, como uno de los constituyentes fundamentales de los átomos. Al principio, el descubrimiento de estas nuevas partículas ocurría de manera casual mediante el uso de primitivos aceleradores de partículas o por el estudio de rayos cósmicos, es decir, de las partículas de alta energía que inciden en la atmósfera, provenientes del espacio, donde colisionan con los átomos del aire y producen otras partículas. No existía un modelo teórico que pudiera predecir la existencia de esas partículas, así que todo llegaba por sorpresa.

Un ejemplo de ello ocurrió en 1936 cuando Carl Anderson y Seth Neddermeyer, por entonces en Caltech, estaban estudiando los rayos cósmicos usando una cámara de niebla a la que aplicaban un campo magnético y encontraron trazas de unas partículas que se curvaban de manera ligeramente diferente a como lo hacían los electrones. Estaba claro que por su curvatura tenían carga negativa, pero su radio de curvatura era mayor que el de los electrones. Se asumió que esta nueva partícula tenía la misma carga que el electrón, por lo que para conseguir que el radio de curvatura fuera mayor, esta partícula tenía que tener una masa mayor que la del electrón, considerando partículas a la misma velocidad. Se comparó también el radio de curvatura con el de las trazas de protones (aunque estos tuvieran carga positiva) y se vio que el radio de la nueva partícula era menor que el de éstos, por lo que su masa tenía que ser menor que la de los protones.

La existencia de esta nueva partícula añadió una complejidad adicional al zoo de partículas que empezaba a aparecer en esa época. Inicialmente se llamó mesotrón e incluso se llegó a pensar que era la partícula mediadora de la fuerza fuerte que había predicho Yukawa, por lo que se le cambió el nombre a mesón mu. Tras el descubrimiento del pión (o mesón pi) y otros mesones (un mesón es una partícula compuesta de dos quarks y que tiene spin entero), se vio que el mesón mu no tenía las mismas propiedades que los mesones, es decir, no interaccionaban con la fuerza nuclear fuerte. Además, se descubrió que los mesones mu se desintegraban en neutrinos y antineutrinos. A partir de entonces se le volvió a cambiar el nombre por muón ya que así se alejaba del concepto de mesón al que se le había asociado anteriormente.

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Neutrino muónico (Fuente: Particle Zoo)

La aparición de neutrinos y antineutrinos planteaba una cuestión importante. ¿Son los mismos neutrinos que los asociados a los electrones en la desintegración beta? Estaba claro que se tenía que continuar con la tarea iniciada por Reines y Cowan como cazadores de neutrinos e intentar solucionar el misterio.

Una buena manera de estudiar la naturaleza de los neutrinos asociados a los muones es a través del estudio de la reacción π → μ ν. El problema era que, para obtener piones en cantidades suficientes como para llevar a cabo la investigación, son necesarias energías que no se alcanzan a través del estudio de los piones producidos en la atmósfera como producto de las colisiones de los rayos cósmicos. Era necesario, por tanto, utilizar aceleradores de partículas. Además de unos investigadores lo suficientemente atentos como para ver que utilizando esta reacción de desintegración se podía investigar el problema.

Esta conjunción de factores, un acelerador y unos buenos investigadores, se dio en el acelerador de Brookhaven en 1962 donde se encontraban trabajando Leon Lederman, Mel Schwartz y Jack Steinberger.

En su libro, La partícula divina (dejemos aparte la historia de porqué se llama divina), Lederman cuenta la historia de cómo llegó a idear y montar el experimento.

Utilizando el Sincrotrón de Gradiente Alterno (Alternating Gradient Synchrotron) de Brookhaven, que en 1960 consiguió alcanzar unas energías sin precedente al acelerar protones a 33 GeV, el equipo formado por Lederman, Schwarz y Steinberger aceleraron protones hasta una energía de 15 GeV. Una vez alcanzada esta energía el haz de protones se dirigió hacia un blanco de berilio donde, al colisionar, se producían piones que volaban libremente a lo largo de unos 21 m, tiempo durante el cual se desintegraban en muones y neutrinos. A continuación se puso una barrera de algo más de 13 m de grosor y 5000 toneladas, hecha con viejas placas de barcos de guerra, en la que se paraban todas las partículas más pesadas excepto los neutrinos, quedando como resultado un haz de neutrinos (asociados a los muones) con energías de hasta 1 GeV.

Lo que detectaron fueron 34 huellas de muones (teniendo en cuenta un fondo de unos 5 muones procedentes de rayos cósmicos). Si los neutrinos fueran los mismos para la desintegración del pión y la desintegración beta, teóricamente, habrían observado unas 29 huellas de electrones, que eran bien conocidas por ellos, y si fueran distintos habrían observado, como mucho, uno o dos huellas de electrones procedentes de la desintegración de kaones tales como K+ → e+ + νe + π0. No se observaron electrones.

Por el descubrimiento del neutrino muónico, Lederman, Schwarz y Steinberger recibieron el premio Nobel en 1988.

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Leon Lederman (Fuente: Nobelprize.org)

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Mel Schwarz (Fuente: Nobelprize.org)

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Jack Steinberger (Fuente: Nobelprize.org)

Ahora sabemos que existen tres tipos de neutrinos. El tercero es el asociado al leptón tau, que es como el muón y el electrón, pero todavía más pesado. Sin embargo, el descubrimiento del neutrino tau, no solucionó todas las incógnitas que tenemos sobre los neutrinos. Todavía nos quedan muchas cosas por conocer, pero esto mejor lo dejamos para otra ocasión.

Referencias

Discovery of the Muon-Neutrino

T2K Experiment

La Partícula Divina. Leon Lederman y Dick Teresi

Seth H. Neddermeyer and Carl Anderson. Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles. Phys. Rev., Vol. 51, 884.

More flavors

The subatomic particle zoo has been growing along the years since the discovery of the electron, as one of the fundamental constituents of atoms. In the beginning, the discovery of these new particles occur accidentally through the use of the first particle accelerators or through the study of cosmic rays, that is, the high energy particles that impact on the atmosphere, coming from the outer space, where they collide with atoms in the air producing new particles. There was not any theoretical model predicting these particles, so everything was a surprise.

One example of it occur in 1936 when Carl Anderson and Seth Neddermeyer, by that time at Caltech, were studying cosmic rays using a cloud chamber, applying to it a magnetic field, and found particle tracks that curved differently of those of the electrons. It was clear, because of their curvature that these particles were negatively charged but the curvature radius was larger than the one of electrons. It was assumed that this new particle had the same charge as the electron and, therefore, to get such curvature radius, it had to be heavier than the electron, taking into account particles moving at the same speed. It was also compared to the curvature of proton tracks (although these had positive charge) and it was seen that the curvature radius of the new particle was smaller than the one of protons and thus its mass had to be smaller.

The existence of this new particle added and additional complexity to the particle zoo that was appearing at that time. Initially it was given the name of mesotron and it was even thought that it was the particle carrying the strong force predicted by Yukawa, so it was renamed as mu meson. After the discovery of the pion (or pi meson) and other mesons (a meson is a particle made of two quarks with an integer value of spin), it was seen that the mu meson did not have the same properties that mesons, they did not interact with the strong force. Besides, it was discovered that mu mesons decayed in neutrinos and antineutrinos. Because of it, the name was changed again and it was given the name of muon.

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Muon neutrino (Source: Particle Zoo)

The appearance of neutrinos and antineutrinos, presented an important question. Are they the same neutrinos than those associated to electrons in beta decay? It was clear that they had to continue the task initiated by Reines and Cowan as neutrino hunters and try to solve the mistery.

A good way of studying the nature of neutrinos associated to muons is through the study of the decay π → μν. The problem was that, to obtain enough pions in a quantity enough to conduct the research, it was necessary an energy that was not reached through the study of pions generated in the atmosphere as a product of cosmic ray collisions. It was thus necessary to use particle accelerators. Apart from a group of bright researchers to know that through the study of such decay the problem could be investigated.

This conjunction, an accelerator and bright researchers, took place at Brookhaven particle accelerator in 1962, where Leon Lederman, Mel Schwartz and Jack Steinberger were working.

In his book, The God Particle (let’s leave apart the story about the book’s name), Lederman explains the story of how the experiment was thought and built.

Using the Brookhaven’s Alternating Gradient Synchrotron, which in 1960 reached unprecedented energies by accelerating protons to 33 GeV, Lederman, Schwarz and Steinberger accelerated protons to an energy of 15 GeV. Once this energy was reached the proton beam was directed towards a beryllium target where, after the collision, produced pions. After 70 feet distance of free flight decaying into muons and neutrinos, the particles collided with a shield of more than 13 m thickness and 5000 tons made of steel coming from battleship plates, where they were stopped except for the neutrinos, giving as result a neutrino (associated to muons) beam with energies up to 1 GeV.

What they detected were the traks of 34 muons (considering a background of about 5 muons coming from cosmic rays). If neutrinos were the same both for the pion decay and beta decay, it would had been observed, theoretically, about 29 electron tracks, which were well known by the team, and if it were different, they would have been observed, as maximum, one or two electrons coming from kaon decays such as K+ → e+ + νe + π0. No electrons were observed.

Because of the discovery of the muon neutrino, Lederman, Schwarz and Steinberger received the Nobel prize in 1988.

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Leon Lederman (Source: Nobelprize.org)

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Mel Schwarz (Source: Nobelprize.org)

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Jack Steinberger (Source: Nobelprize.org)

Now we know that there are three types of neutrinos. The third is the associated to the tau lepton, which is like the muon and electron, but even heavier. However, the discovery of the tau neutrino did not solve all the unknowns we have about neutrinos. We still have a lot of things to learn about, but we better leave it for another occasion.

References

Discovery of the Muon-Neutrino

T2K Experiment

The God Particle. Leon Lederman and Dick Teresi.

Seth H. Neddermeyer and Carl Anderson. Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles. Phys. Rev., Vol. 51, 884.

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.

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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.

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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

Neutrino Hunters

Universe is mysterious and exciting. There are so many things to discover that it is very likely that we will ever know only a negligible portion of everything around us during the humanity lifetime. In the universe there are things that we can directly observe, develop a theory about them, apply all our mathematical knowledge and say that the portion of the universe subject to our observation behaves in a specific way. With such a theory, we could also make future predictions about future behaviors. But, there are things that we cannot directly observe and, in principle, develop a theory about them. Notwithstanding, humanity inventiveness and willingness to know do not have limits and we manage to make unveil the invisible universe.

As well as in many science areas, physics has things that cannot be observed what makes them even more interesting for physicist. We are made to learn about what we cannot see. One example is particle physics. When we start to investigate what there is inside atoms, which we do not directly see, or what happens when two atoms collide at high speed (and high energy), we get such an amount of information that in many cases is disconcerting. Smaller particles, than the constituent elements of the atoms, appear. Their behavior largely differs from what we are used in our daily experience. New mysteries appear which we pile up while waiting for solving them. Neutrinos are one of these mysteries.

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Electron neutrino (Source: Particle Zoo)

Shortly after the discovery of radioactivity, Ernest Rutherford discovered, in 1988, that one of the possible manners that radioactivity showed up was through the emission of negatively charged particles with a charge equal to that of the electron. Initially, they were named as beta particles, following the name of this kind of radioactivity which was known as beta decay, until they were finally identified as electrons.

The discovery of this kind of radioactivity opened a new research area.

Besides the efforts to understand this kind of radioactivity, it was still necessary to discover some of the missing ingredients in our knowledge of atomic nuclei and this happened after the beta decay discovery

Atomic nuclei are made of protons and neutrons. The proton was discovered by Rutherford in 1919. The existence of the neutron was proposed by Rutherford one year later to explain why atomic nuclei did not disintegrate due to the electric repulsion of protons. Many other scientists theorized about the existence of neutrons after Rutherford and it was finally experimentally found in 1932 by James Chadwick.

Once all the elements of the atomic nucleus were known, it was then possible to start developing a theory for beta decay. Observations implied that the electron was emitted by the nucleus, but it was known that nucleus were only made up of neutrons and protons, to that it was impossible that the electron was inside the nucleus. The explanation that was accepted is that a neutron transforms into a proton emitting, at the same time, an electron.

However, from Einstein’s equation E = mc2, it was expected that the electron would carry off, in form of kinetic energy, the mass difference between the initial nucleus and the nucleus after the electron emission. It was expected that the energy was conserved. But this did not happen. Conservation of energy is one of the basic principles of physics and when it is not conserved it can happen either we are doing something wrong or there is something new that we do not know yet. The latter was the solution.

In 1930, Wolfgang Pauli proposed the existence of a new particle without electric charge emitted with the electron, so that total energy was conserved. This new particle had not been detected so far. Although Pauli gave it the name of neutron, it was Fermi who renamed is as neutrino, due to the discovery of neutron in 1932, when he incorporated it to his beta decay theory.

The problem was that the neutrino was still undiscovered. Even Pauli thought that he had postulated a particle that nobody could ever detect because it was so small, in fact it was thought that it did not have mass, and without electric charge that it was impossible for it to interact with any kind of matter, even with that of the most sophisticated instruments of that time.

Everything changed with the advent of nuclear fission reactors. Nuclear fission uses very heavy elements that when fission occurs, the resulting lighter elements, which nucleus has such an amount of neutrons (isotopes), cannot be stable and they disintegrate emitting electrons and (anti)neutrinos, that is, they emit beta radioactivity. Although one single neutrino is very difficult to be detected when there a lot of them, the likelihood of detecting at least one is increased.

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Already closed Zorita Power Plant (Source: mine)

Larger experiments started to be developed, with more and more sophisticated detectors, whose intention was to detect the neutrino. Many years passed by, since it existence was postulated and the beta decay was described, until the neutrino was discovered. It was in 1956 when Reines and Cowan, managed to find a clear signal that confirmed that the mysterious neutrino had been discovered… and they did it looking for the inverse beta decay.

As we have seen before, the beta decay consists in a neutron which is transform in a proton emitting an electron and a neutrino. Actually, it is an antineutrino because when the quantum formalism is combined with the relativistic one, it is found that every particle has its own antiparticle, that is the same particle but with opposite electric charge. In the case of neutrinos, because they do not have electric charge, it is not clear yet whether the neutrino and antineutrino are the same particle (Majorana particles) or different ones (Dirac particle), but let’s leave this for another moment. The inverse beta decay consists in an antineutrino colliding with a proton giving as result a neutron and a positron (the electron antiparticle, which is like an electron but with a positive electric charge).

In their experiment, Reines and Cowan dissolved 40kg of Cadmium Chloride (CdCl2) in 400 liters of water in tanks. These tanks were at 12 meters underground, to be shielded from cosmic rays which may interfere in the data gathering, and 11 meters away from the Savannah River reactor, which was the antineutrinos source. Above the water there were liquid scintillators and below they installed photomultiplier tubes to detect the scintillating light. The positron was detected by its slowing down and annihilating with an electron of the tank content and thus emitting two gamma rays that were detected by the liquid scintillators and the photomultiplier tubes. The neutron was also slowed by the water and captured by the cadmium microseconds after the positron capture. In this neutron capture several gamma rays emitted and detected by the liquid scintillators just after the detection of the gamma rays produced by the annihilation of the positron. This delay was theoretically predicted and thus, if the experimental measure matched the prediction, it can be demonstrated that the neutrino had produced the reaction.

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Reines y Cowan in the control centre (Source)

In this way an era started for researching the unknown, the small and invisible, the neutrinos. But there were still many surprises to be found, because what they had detected was only one of the varieties of neutrinos, electron neutrinos. Later, other experiments would detect other varieties.

But let’s not get ahead of ourselves…

References:

T2K Experiment

First Detection of the Neutrino by Frederick Reines and Clyde Cowan

Neutrino. Frank Close. RBA Divulgación

 

 

 

El viaje

Hace tanto tiempo ya…

No recuerdo cuando nací. Mis recuerdos son borrosos. A veces me vienen imágenes de mi pasado, pero no logro asignarles un momento o un lugar concreto. Era un lugar muy caliente, demasiado caliente. Y había mucha presión por parte de todos mis vecinos, que no hacían más que chocarse conmigo y con todos los demás, todos luchando por salir. Algunos contaban historias sobre cuando empezó todo, especialmente por parte de aquellos que habían nacido antes que yo. Pero la historia siempre quedaba incompleta, ya que pronto llegaba otro vecino que le golpeaba bruscamente y provocaba que en un breve instante apareciera en el extremo opuesto.

Sin embargo, a base de unir pequeños fragmentos de esas historias me podía hacer una idea de mi origen.

Al principio todo estaba muy frio, había individuos mucho mas mayores que yo, tanto en edad como en tamaño. Estos individuos se hacían llamar átomos y decían que eran muy pequeños. ¡Pequeños! ¡Ja! Ya me gustaría a mi tener su tamaño.

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Nací en un lugar parecido a éste. De hecho los llaman los pilares de la creación (Fuente: Wikimedia Commons)

Había muchos átomos, pero apenas se tocaban unos con otros. Tenían mucho espacio para moverse libremente. Cómo he dicho, hacía mucho frío y eso hacía que nadie se moviera apenas de su sitio, no podían malgastar la poca energía que tenían. De todos modos, algunos se movían ligeramente, cosas de la inercia, y pasaban unos cerca de otros. En muchas ocasiones, cuando esto sucedía, los átomos seguían su camino como si no hubiera pasado nada, pero otras veces, pasaban tan cerca que terminaban chocando y entre ellos surgía una atracción tan fuerte que quedaban unidos para siempre. De esta manera, se creaban agrupaciones de átomos cada vez más grandes. Como todo en la vida, cuanto mas tienes más quieres, así que empezaron a atraer a más átomos.

Además de crecer en tamaño, estas agrupaciones esporádicas de átomos, estaban cada vez más calientes. Se daban calor unos a otros. Donde más calor hacía era en el centro del grupo. Según estos grupos se iban haciendo más grandes, se volvía prácticamente imposible soportar el calor del interior, ni la atracción que se ejercía desde el interior hacia los átomos más externos.

Un día la temperatura del centro de la agrupación se hizo tan alta, que los átomos que estaban en el centro no aguantaron más y empezaron a fusionarse. La fusión fue una buena idea, a partir de ahí empezaron a generarse distintas partículas más pequeñas que eran lanzadas hacia afuera provocando así una presión que contrarrestaba la atracción.

Por lo que pude deducir, yo soy una de esas pequeñas partículas que mis predecesores lanzaron hacia afuera. Y ahí estaba desde entonces. Es posible que pasaran miles de millones de millones de años, quien sabe, pero todo esto estaba a punto de cambiar. Los choques con otras partículas, me habían estado empujando cada vez más hacia afuera. Ya estaba lejos de donde creía haber nacido, según las historias que escuché. También hacía menos calor. Estaba inquieto, sabía que iba a pasar algo, pero no sabía qué era. Intentaba tranquilizarme, al fin y al cabo mi vida empezó siendo incierta y siempre lo sería. Quizá lo que ocurriera, me llevara a vivir nuevas aventuras, conocer otros lugares y nuevas partículas distintas de mí.

Un buen día, ocurrió lo que estaba esperando. Una explosión repentina, me empujó hacia el exterior. En tan solo unas milésimas de segundo, noté que ya no había presión a mi alrededor, no había nadie con quien chocarme. ¡Era libre! El miedo que había sentido antes se desvaneció y se convirtió en asombro y curiosidad por ver como evolucionaba aquella libertad. De vez en cuando veía a alguno de mis vecinos anteriores en la distancia, pero estaba tan lejos que no podía distinguir si era un primo pequeño de la familia de los muones o si era de los electrones. ¡Qué mas daba! Quería explorar todo lo el nuevo mundo que se abría ante mi.

TheSun

Este fue mi hogar durante mucho tiempo. La protuberancia que hay en la parte superior derecha es la explosión que hizo que saliera despedido hacia afuera (Fuente: Wikimedia Commons)

Empecé a fijarme en mi mismo. A estudiar mis sentimientos y mi comportamiento.

Lo primero que descubrí es que, a pesar de que la explosión había sido intensa y que debería estar moviéndome a gran velocidad, el tiempo pasaba muy despacio, demasiado despacio. Parecía que el tiempo se había detenido.

Por otro lado, empecé a notar cambios en mi estructura. No lo he mencionado antes, pero por lo que pude saber, yo era un primo pequeño de la familia de los electrones, pero durante el tiempo que estuve viajando a esas velocidades tan altas, me di cuenta de que me estaba empezando a parecer a uno de los primos de la familia de los muones. Nunca me habían caído bien, los de la familia de los muones eran demasiado grandes y toscos. Aunque los primos eran más esbeltos como yo, no quería que me relacionaran con ellos, pero no pude hacer nada. Mi estructura cambió.

Tras poco más de 8 minutos de viaje, que como ya he dicho, se me hicieron eternos, empecé a ver una especie de bola azul a la que me acercaba peligrosamente. Intenté desviarme para no chocarme con ella, pero iba tan deprisa que no pude evitarlo y me precipité sobre ella.

Al principio fue bien, seguí moviéndome a la misma velocidad, me alegré y pensé que no pasaría nada. De hecho, algunos de mis vecinos de viaje que estaban delante de mi iban atravesando capas y capas de la bola azul y no les ocurría nada. Un instante después noté que me sumergía en un líquido y me frené de golpe. De hecho, sufrí una colisión con otra partícula que era más grande que yo y vi un destello de luz, pero no me hagáis caso, estaba muy aturdido. Poco después desaparecí.

Mientras que mis vecinos siguieron su camino y tuvieron la oportunidad de visitar lugares fantásticos a lo largo de su vida, yo desaparecí tras el choque en aquel líquido. Había sido una vida confusa y corta, pero intensa. Me encantó poder escuchar las breves historias de los vecinos mayores y entre todas ellas poder recrear lo que creo que fue mi vida. Y sobre todo me encantó saber, y no me preguntéis como lo supe, que mi desaparición ayudó a descubrir uno de los mayores misterios de la ciencia que se llevaba a cabo en esa bola azul donde me quedé. Cuando, durante mi viaje, cambié mi estructura y me convertí en uno de los primos pequeños de los grandes muones, resulta que no sólo era un misterio para mí el por qué me pasaba eso. Los seres que habitaban en la bola azul también se lo preguntaban. Mi desaparición contribuyó a ayudarles a entender el misterio. ¡Me llenó de orgullo!

I Certamen de Cuentos de Ciencia

Esta entrada es mi segunda contribución al genial I Certamen de Cuentos de Ciencia organizado por el blog Cuantos y Cuerdas y en el que, aparte de recomendar que visitéis, recomiendo que participéis.

Esta entrada ha sido editada para formar parte del #MegaCuento en la cual he intentado incorporar enlaces a todos los cuentos del #CertamenCuentos que he podido, aunque no han podido ser incluidos todos. Sin embargo, recomiendo pasarse por aquí para disfrutar de todos los cuentos.