Los neutrinos son partículas elementales de masa casi cero, que son generadas por reacciones nucleares. Mientras que el Sol y otros fenómenos cercanos producen neutrinos de baja energía, los neutrinos de alta energía son producidos por cataclismos cósmicos de gran alcance y extremadamente violentos, como los agujeros negros, las supernovas y el Big Bang.
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Los Neutrinos
Una vez generados por estos cataclismos cósmicos, los neutrinos se mueven a una velocidad cercana a la luz y no se detienen. Dado que su masa es prácticamente cero, interactúan muy raramente con otras partículas, lo que les permite moverse en línea recta hacia los límites del Universo, cruzando estrellas, planetas, vastos campos magnéticos y de las galaxias entera como si no existieran.
Trillones de neutrinos cruzan la Tierra cada nanosegundo y para los astrofísicos, cada una de estas diminutas partículas es un potencial mensajero que transporta información sobre su origen.
El problema para los científicos, sin embargo, es que las mismas propiedades que permiten a los neutrinos llevar esta información hacen que sean notoriamente difíciles de detectar. Afortunadamente, en raras ocasiones, un neutrino de alta energía colisiona con un átomo.
La colisión desintegra su núcleo y el neutrino se transforma en otra partícula llamada muón. El muón así creado continúa su movimiento en una trayectoria idéntica a la del neutrino y se puede reconocer gracias al cono de luz azul que genera. Conocido como radiación de Cherenkov, este cono se puede comparar con las ondas producidas en el aire a través de las cuales pasa una bala.
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Muón o Leptón
Un leptón es un fermión elemental insensible a la interacción fuerte. Hay seis tipos de leptones: neutrinos de electrones, muones, tau y electrones, muónicos y tau. El nombre de leptón proviene del griego y significa “luz”. De hecho, en la década de 1950, las tres categorías de partículas conocidas eran leptones, mesones y bariones, correspondientes a las palabras griegas “light”, “medium” y “heavy”.
Ahora, conocemos un leptón más pesado que algunos bariones, pero el nombre se ha mantenido. Las clase de partículas materiales que no participan en interacciones fuertes; Incluye el electrón, el muón, el tauón y sus neutrinos asociados. (Ver Articulo: Astronomia y Astrofisica)
Partícula Elemental
Las partículas elementales son los objetos físicos más pequeños de los cuales se constituyen la materia y las fuerzas del universo. Estos son paquetes de energías caracterizadas principalmente por una masa, un momento cinético intrínseco (el giro) y otros números como la carga eléctrica.
Estas partículas elementales se describen correctamente solo en el contexto de la teoría cuántica de campos. Por lo tanto, debemos tener en cuenta las leyes de los fenómenos impuestas por la estructura del espacio-tiempo en la relatividad, así como la famosa dualidad onda / partícula de la mecánica cuántica.
La cuestión de las partículas elementales en la historia
Históricamente, se pensó que los átomos eran los constituyentes más pequeños de la materia y, por lo tanto, las partículas elementales. El descubrimiento del electrón, luego el núcleo del átomo, respectivamente por Joseph John Thomson y Ernest Rutherford, arruinaría esta hipótesis.
Más tarde, cuando pensamos que sabíamos de nuevo las partículas fundamentales de las que está hecha toda la materia, es decir, los electrones, los neutrones y los protones, el descubrimiento de los quarks que constituyen los nucleones reviviría la carrera hacia la búsqueda de partículas elementales.
Estado del juego del conocimiento sobre partículas elementales
Hoy, sabemos que el estado de la partícula elemental es relativo a los experimentos que hacemos. Por lo tanto, para reacciones químicas a bajas energías, uno puede describir lo que sucede como si los átomos fueran los constituyentes más pequeños de la materia. Pero para reacciones termonucleares como las que hacen brillar al Sol, serán los electrones, protones y neutrones, junto con los neutrinos, que se considerarán partículas elementales.
En el estado actual de la investigación, como la colisión de haces de LHC con protones en los detectores Atlas y CMS, todavía parece que las partículas elementales de materia están formadas por leptones y quarks, y se dividen en tres familias.
Campos de Fuerzas
La mecánica cuántica nos dice que a medida que las partículas de materia tienen un aspecto de onda, que estos no son pequeñas bolas como la física clásica pensado, hay que asignar un aspecto corpuscular de las olas en las fuerzas de campo.
Experiencias como las llevadas a cabo en el CERN a principios de 1980 mostraron que no hubo fotones equivalentes para otros campos de fuerzas conocidas en la naturaleza, es decir, las fuerzas nucleares. En el caso de la fuerza nuclear fuerte descrito por la cromodinámica cuántica, es gluones. En el caso de Fuerzas nucleares débiles, estos son los bosones W y Z.
En general, las partículas asociadas con fuerzas como el fotón, los gluones, se llaman bosones de espín completos. Para la materia, los quarks y los leptones, como los electrones y los neutrinos, son fermiones con un giro de medio entero. Los campos de fuerza están descritos por las llamadas teorías de gauge o Yang-Mills. Las partículas que median estas fuerzas se llaman bosones gauge.
Es posible que los quarks y los leptones no sean elementales, sino que estén formados por otras partículas, por ejemplo, los rishons. También debe haber el equivalente cuántico del campo electromagnético, el fotón, para las ondas gravitacionales. El quanta del campo gravitatorio se llama gravitón, pero parece muy difícil observarlo. (Ver Articulo: Características de Astronomia y Astrofisica)
Masa
La masa es una propiedad física esencial para un cuerpo. Proporciona una buena aproximación de la cantidad de materia contenida en este cuerpo, independientemente de dónde se encuentre.
- La unidad de masa: el kilogramo.
- La masa está representada por el símbolo “my” en el Sistema Internacional su unidad es el kilogramo (kg).
En realidad hay dos tipos de masa:
- La masa de inercia que indica la resistencia a la que un cuerpo se opone a una modificación de su movimiento bajo la acción de una fuerza
- La masa gravitacional, relativa a la gravitación a la que está sujeto el cuerpo.
De hecho, estas dos cantidades son equivalentes. La experiencia ha demostrado que son iguales a 10 -12.
No confundas masa y peso. Si, en la vida cotidiana, la confusión no tiene consecuencias, es bueno que cualquier aprendiz de físico haga la diferencia entre peso y masa.
El peso, también llamado masa gravitacional, expresa la fuerza gravitacional que un cuerpo ejerce sobre otro. Por lo tanto, el peso varía de acuerdo con el lugar donde se pone el cuerpo en cuestión. En la Luna, un cuerpo tendrá un peso seis veces menor que en la Tierra. La unidad de peso es Newton (N).
La masa y el peso están ligados por la siguiente relación: peso = masa xg. Donde g representa la aceleración de la gravedad en un lugar dado.
Reacción Nuclear
Como sugiere el término, una reacción nuclear corresponde a un fenómeno de transformación de núcleos atómicos (nucleones) bajo la acción de partículas (neutrones, protones, deutrones, etc.) o de radiaciones α, β o γ. Una reacción nuclear libera energía.
Reacción nuclear espontánea y reacción nuclear inducida.
Mientras que una reacción química retiene los elementos, una reacción nuclear los transforma. Este último puede ser:
- “Espontáneo” cuando los núcleos atómicos involucrados son los de sustancias radiactivas, naturales o artificiales;
- “Artificialmente inducido” por bombardeo de partículas o radiación.
Hay dos tipos principales de reacción nuclear:
- La fisión nuclear es el resultado de la ruptura de un núcleo atómico. En el corazón de las centrales nucleares, por ejemplo, los núcleos de uranio fisionable sufren reacciones de fisión nuclear causadas por el bombardeo de neutrones. Las primeras bombas atómicas también se basaron en este principio.
- La fusión nuclear es el resultado de la combinación de dos núcleos atómicos. Las reacciones de fusión nuclear ocurren naturalmente en el corazón del Sol, pero también se usan para el diseño de bombas de hidrógeno.
Neutrino Muón
Es uno de los tres neutrinos conocidos. Recordemos que los neutrinos son leptones neutrales de masas débiles descritos por la teoría electrodébil. Estos fermiones, aunque sensibles a la gravedad, pueden interactuar con los quarks y otras partículas del modelo estándar solo a través de la fuerza nuclear débil.
Existen en tres formas, o sabores, y se pueden transformar entre sí gracias al mecanismo de oscilación postulado por el físico Bruno Pontecorvo.. Estas oscilaciones de neutrinos fueron finalmente reveladas por el detector Superkamiokande.
Formación de neutrinos muónicos
Los neutrinos se producen y absorben en reacciones nucleares y de alta energía , por ejemplo, en reacciones de nucleosíntesis que hacen brillar a las estrellas y al sol. En este caso, sin embargo, aparecen los neutrinos electrónicos. Los neutrinos muones aparecen en reacciones con muones, un primo del electrón más pesado que él. Fueron descubiertos por los físicos Leon M. Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger. (Ver Articulo: Astrofisica)
Neutrino Electrónico
Un electrón que ha perdido su carga eléctrica. La forma más sencilla de diseñar un neutrino es imaginarlo como un electrón que habría perdido su carga eléctrica. Por esta razón, los neutrinos de la radioactividad son llamados por los físicos “neutrinos-electrones”. Esta llamada sirve para distinguirlos de otras dos especies de neutrinos, los neutrinos-mu y los neutrinos-tau.
El neutrino-electrón es con el electrón uno de los dos actores de la radioactividad beta, pero un actor invisible porque es indetectable. En el caso más frecuente de radioactividad sin beta, es su antipartícula, el antineutrino-electrón, que interviene, socio del electrón positivo o positrón.
El neutrino-electrón es el cómplice del electrón en una familia de cuatro corpúsculos fundamentales de la materia. Los otros dos miembros de esta familia son los quarks llamados arriba y abajo, que son los constituyentes elementales de los protones y neutrones y, por lo tanto, los constituyentes finales del núcleo del átomo. El electrón, el neutrino-eletrón, el quark up, el quark down constituyen ante los físicos la primera generación de corpúsculos elementales. (Ver Articulo: Electrón)
Lo que diferencia a los quarks del electrón y el neutrino es que los primeros son sensibles a las fuerzas muy intensas, llamadas interacciones fuertes, que aniquilan los núcleos. Como resultado, los quarks son difíciles de observar porque siguen siendo prisioneros de material nuclear.
Los electrones y los neutrinos no son sensibles a la interacción fuerte. ¡Se van! Pero los neutrinos son eléctricamente neutros: no tienen la carga eléctrica que permite a los electrones formar una procesión que rodea el núcleo del átomo. Son muy difíciles de detectar.
Durante mucho tiempo se ha postulado que los neutrinos tienen masa cero (como los fotones). Experimentos recientes han demostrado que tienen una masa, pero extremadamente pequeña. Para dar una idea de esto, la masa del neutrino-electrón sería mucho menos que una millonésima parte de la masa del electrón, un corpúsculo muy ligero.
Corpúsculos prácticamente sin masa, los neutrinos se mueven a la velocidad de la luz. Así, en 1987, junto con un pequeño destello de luz de la explosión de una supernova distante, la llegada de una explosión de neutrinos después de un viaje de 180,000 años luz.
Al igual que los electrones, los neutrinos tienen dos direcciones de rotación posibles, llamadas helicity izquierda y derecha, cuando el eje de rotación se elige paralelo a la dirección del movimiento. Pero los neutrinos solo interactúan a través de las fuerzas débiles que distinguen los dos estados de helicidad (un fenómeno que los físicos llaman “violación de paridad”). De hecho, solo los neutrinos “izquierdos” se producen e interactúan. Los neutrinos “derechos” no interactúan.
Dado que los neutrinos interactúan con la materia solo a través de una interacción débil, su probabilidad de interacción (o sección transversal) es extremadamente pequeña. Para dar una idea, durante la demostración experimental de neutrinos en 1956, Reines y Cowan midieron una sección efectiva de 0.063 mil millonésimas de una mil millonésima parte de un granero.
El granero es la unidad utilizada por los físicos para medir secciones transversales. A modo de comparación, la sección transversal de captura de neutrones por un núcleo de uranio-238 es del orden de un establo. La energía de neutrinos de las desintegraciones radiactivas generalmente está por debajo de 1 MeV.
La sección transversal de un neutrino de 1 MeV mucho más alta que la de los neutrinos de Reines y Cowan sigue siendo extremadamente débil. Esto explica que los neutrinos provenientes de las desintegraciones radioactivas en el sol pueden atravesar la Tierra. De los 100,000 billones de neutrinos solares que cruzan la Tierra, ¡menos de un neutrino será detenido o interactuará!
Hay otras dos especies de neutrinos, neutrino-mu y neutrino-tau. El mu-neutrino es el compañero del muón, un electrón pesado observado en la radiación cósmica. El neutrino-tau es el compañero del tau, un electrón súper pesado (pesa el doble que un protón) descubierto en 1975 por el físico estadounidense Martin Perl.
Último aspecto de estas fascinantes partículas. Bajo el efecto de interacciones débiles, los neutrinos se transforman entre sí. Los físicos dicen que “oscilan”. Así, una de los neutrinos solares nacido neutrinos electrón en el sol se puede convertir neutrinos-mu en su llegada a la Tierra. El déficit observado de neutrino-electrones del sol es una de las evidencias de las oscilaciones de los neutrinos.
El Premio Nobel de Física 2015 se otorgó a dos investigadores japoneses y estadounidenses, Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald, por su trabajo que destacó las oscilaciones de neutrinos, y también confirmó que estas partículas tenían una masa muy pequeña pero no cero.
¿Qué es la oscilación de los neutrinos?
El Premio Nobel de Física en una demostración experimental de la oscilación de los neutrinos, un descubrimiento muy importante en la física de partículas que tuvo un gran impacto, incluida la astrofísica y la cosmología. Este descubrimiento implica la existencia de una masa, muy baja, para los neutrinos, que no estaba prevista en el modelo estándar de partículas hace solo veinte años. Detengámonos un momento en la oscilación de los neutrinos: ¿qué es y cómo funciona?
Todo comenzó a partir de lo que los físicos llamaron la anomalía del neutrino solar. El pionero de los neutrinos Raymond Davis (nombrado por su trabajo en 2002), instaló un experimento en 1965 en la mina de Homestake en los Estados Unidos para detectar los neutrinos del sol, que producen enormes cantidades.
En sus reacciones de fusión termonuclear. Después de varios años de mediciones y conteos, el flujo medido por Davis fue tres veces menor de lo que debería haber sido si las reacciones nucleares del sol, las fuentes de neutrinos, fueran bien entendidas.
Durante mucho tiempo se consideró que algo estaba mal en el experimento. Como no permitía determinar la energía ni la dirección de origen de los neutrinos detectados, se debilitó su robustez. Pero un nuevo experimento nació en la década de 1980 en Japón con un detector de gran volumen que consiste en agua pura
Capaz de detectar neutrinos electrónicos con una energía superior a 5 MeV, y especialmente capaz de determinar la dirección de la incidencia. Neutrinos detectados. El resultado confirmó los resultados anteriores con un déficit de flujo de un factor de dos esta vez, pero pudiendo demostrar que efectivamente eran neutrinos solares.
Luego, otros experimentos, utilizando otros tipos de líquidos detectores (cloro en SAGE o galio en GALLEX) permitieron detectar neutrinos solares de menor energía hasta 0.3 MeV, siempre con un déficit en comparación con a la teoría, pero esta vez de menor escala, “solo” 40% inferior a la teoría.
Como el modelo del funcionamiento interno del Sol estaba bien establecido, especialmente por observaciones muy diferentes basadas en la heliosismología, debe haber una anomalía en la descripción de los neutrinos y esta anomalía parecía variar según su energía.
Tenemos que volver por un momento a lo que son los neutrinos. Hay tres sabores de neutrinos que corresponden a las tres familias de leptones: electrones, muones y taus. Un neutrino siempre acompaña a un leptón, ya sea cuando se produce o cuando se absorbe, por ejemplo, durante la desintegración beta, donde un electrón se emite acompañado de un antineutrino (por conveniencia, los físicos hablan de neutrinos incluso es en realidad su antipartícula el antineutrino).
Para estar seguros de entender estos déficits de flujo de neutrinos observados, fue necesario poder detectar todos los tipos de sabores y no solo uno como lo hicieron los diferentes experimentos en ese momento, incluso si el sol solo produjera teóricamente Único sabor (neutrinos asociados a los electrones).
Eso es lo que hizo el experimento canadiense SNO en la década de 1990, que proponía usar agua pesada como detector, lo que, gracias a su deuterio, abrió el camino a la detección de los tres sabores de neutrinos por tres tipos de neutrinos, diferentes interacciones (dispersión elástica, que mide los tres flujos, la “corriente neutra”, que mide el flujo de los neutrinos electrónicos solos, y la “corriente cargada”, que de nuevo mide los tres flujos, a diferencia de la difusión elástica).
Probabilidad de oscilación de un neutrino electrónico
Por primera vez, los científicos de la SNO pudieron descomponer el flujo de neutrinos en sus tres componentes y resolver el misterio de la anomalía de los neutrinos solares. Los neutrinos electrónicos eran solo un tercio del flujo total, los otros dos tercios estaban compuestos de los otros dos sabores.
El flujo total estuvo en perfecto acuerdo con la teoría de la estructura interna del sol y sus reacciones nucleares que producen solo neutrinos electrónicos. Este punto culminante a fines de la década de 1990 fue un rayo, ya que demostró que los neutrinos podrían cambiar su sabor durante su viaje entre el Sol y la Tierra . Que oscilaron desde un sabor a otro.
Tal oscilación entre sabores se hace teóricamente posible si consideramos que un neutrino es una partícula que existe en tres estados de sabores y tres estados de masa, pero que no coinciden. Un neutrino es una superposición de tres estados de masa diferentes (pero masas muy pequeñas y muy cercanas), es una combinación lineal de estos tres estados. A medida que el neutrino se mueve, la fase entre los estados de masa cambia, lo que induce un cambio de sabor.
En el caso simple donde solo hay dos estados de masa posibles, la probabilidad de salir con un sabor dado n x y medir el segundo sabor n y después de una distancia recorrida L (expresada en km) con una energía E ( expresado en GeV) viene dado por la expresión:
- P ( n x -> n y ) = sen² (2 Q ) sen² (1.27, D m².L / E)
Esta probabilidad de oscilación depende así de tres parámetros:
- Q : el ángulo de mezcla, que define cómo difieren los estados de masa de los estados de sabor. La oscilación es máxima cuando Q = p / 4 y no existe cuando Q = 0
- D m²: la diferencia de los cuadrados de las masas de los diferentes estados. Hay tantos estados de masa como estados de sabores. Este parámetro es crucial. Simplemente dice que si los neutrinos oscilan, significa que al menos uno de los sabores tiene una masa distinta de cero y que sus masas deben ser diferentes. Si D m² = 0, la probabilidad se cancela.
- L / E: este parámetro es el único que los físicos pueden controlar cuando realizan experimentos de oscilometría de neutrinos. Indica que la probabilidad de oscilación depende de la distancia recorrida por el neutrino y su energía. Cuanto menor sea la energía, menor será la distancia necesaria para ver una oscilación. La probabilidad de oscilación es máxima cuando
- R / W = p / (2,54. D m²)
En el caso real donde hay tres sabores y no dos, la expresión de la probabilidad de oscilación es un poco más complicada:
Cuando L / E es pequeño, tenemos:
- P ( n μ -> n t ) = cos² ( Q 13 ) sen² (2 Q 23 ) sen² (1.27, D m, 23, L / E)
- P ( n e -> n μ ) = sin² ( 2Q 13 ) sin² ( Q 23 ) sin² (. 1,27 D m² 23 . L / W)
- P ( n e -> n t ) = sin² ( 2Q 13 ) cos² ( Q 23 ) sin² (. 1,27 D m² 23 L / E.)
Y cuando L / E es grande:
- P ( n e -> n t, μ ) = cos² ( Q 13 ) sin² (2 Q 12 ) sin² (1,27. D m² 12 + sin² (2 L / E.) Q 13 ) / 2
Con cinco parámetros: dos diferencias de masas al cuadrado D m² 12 y D m² 23 y tres ángulos de mezcla entre los tres estados de masa: Q 12, Q 23 y Q 13 .
Desde los resultados pioneros de SuperKamiokande y SNO que ahora valen para sus líderes Takaaki Kajita y Arthur McDonald el Premio Nobel, el estudio de la oscilación de neutrinos se ha desarrollado en gran medida gracias a las mediciones en reactores nucleares o gracias a la producción de haces de neutrinos detectados a largas distancias a través de la corteza terrestre (por ejemplo
Entre el CERN y el laboratorio subterráneo del Gran Sasso en Italia (experimentos de OPERA e ICARUS) o entre el reactor de Tokai y SuperKamiokande en Japón (experiencia T2K), en los reactores nucleares chinos de Daya Bay o entre el acelerador de Fermilab y el laboratorio subterráneo de la mina de Sudán en los Estados Unidos (experimento MINOS)
Lo que sabemos hoy sobre los parámetros de oscilación de los neutrinos, en ausencia de poder medir su masa exacta, es que dos masas están cercanas entre sí y la tercera más distante, sin Todavía podemos determinar qué sabor es o cuál es la jerarquía de estas masas. El ángulo de mezcla Q 13 estaría cerca de 0 pero no cero, y el ángulo Q 23 estaría cerca de p / 4.
La existencia de la oscilación de los neutrinos deja una puerta abierta notablemente sobre la posible existencia de una o más familias de neutrinos adicionales, que oscilarían de la misma manera con los sabores ya conocidos, lo que podría explicar en particular otra anomalía de los flujos. de neutrinos observados durante algunos años con reactores nucleares y por qué no proporcionar un candidato para explicar o participar en la materia masiva y elusiva llamada materia negra.
Neutrinos, mensajeros de lo desconocido
Los neutrinos son partículas tan extrañas que pronto deberían llevarnos a áreas inexploradas de la física. Pocos físicos han tenido el privilegio de introducir una nueva partícula elemental. Este fue el caso de Wolfgang Pauli con el neutrino. Cuando, en 1930, este físico austriaco subestimó la existencia de su “neutrón”
Tras el descubrimiento del neutrón real tres años más tarde, pasaría a llamarse neutrino. Inmediatamente sintió un gran problema: “hice Una cosa terrible, dirá, postulé una partícula que no puede ser detectada. Hoy sabemos que Pauli estaba equivocado: incluso si, para lograr esto, debemos desplegar una gran cantidad de ingenio y esfuerzos experimentales gigantescos, se pueden detectar los neutrinos.
Durante más de 80 años, estas partículas han sido sorprendentes. Examinaremos cómo encajan en el bestiario de partículas elementales y las preguntas fundamentales que plantean. ¿Cuántas especies de neutrinos hay? Sólo tres o más? ¿Por qué sus masas son tan increíblemente pequeñas? ¿Son los neutrinos sus propias antipartículas? ¿Y por qué cambian constantemente de especie?
Los neutrinos son partículas fundamentales muy extrañas. Ausentes de los átomos, no juegan ningún papel en la química; estas son las únicas partículas elementales de materia desprovistas de carga eléctrica; sus masas son menos de una millonésima parte de la masa del electrón
Peor aún, son de naturaleza inconstante, ya que pasan su tiempo “oscilando” entre tres “sabores”, el electrónico (asociado con el electrón), el muónico (asociado con el muón, una especie de electrón pesado) y el taúico. (asociado a tau, incluso más pesado que el muón).
Se están estudiando los neutrinos en varias partes del mundo usando reactores nucleares, aceleradores de partículas y enormes laboratorios subterráneos. Los físicos esperan leer en las peculiaridades de los neutrinos las pistas que necesitan para avanzar hacia una teoría coherente de las tres interacciones fundamentales a las que están sometidas las partículas subatómicas: la interacción electromagnética, la interacción débil (en el origen de la radioactividad beta) y fuerte interacción (responsable de la cohesión de los núcleos atómicos).
En esta búsqueda de lo que llamamos una teoría de la gran unificación, estamos en la etapa del modelo estándar, una teoría que es efectiva pero que no integra todas las propiedades extrañas de los neutrinos, y que, por lo tanto, debe extenderse.
Los neutrinos son leptones, es decir, partículas que participan en interacciones débiles, pero no interacciones fuertes. En el modelo estándar, los teóricos han introducido sólo los neutrinos sólo participan en las interacciones débiles: los neutrinos “izquierda”, es decir, cuyo giro (momento angular intrínseco) y el impulso son direcciones opuestas Los neutrinos “correctos”, es decir, cuyo giro y momento son en el mismo sentido, no participan en interacciones electromagnéticas o interacciones débiles.
