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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.

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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.