El sabor de los neutrinos

 El sabor de los neutrinos
Ulises Solís Hernández
Nuestro planeta sufre continuamente impactos de distintos objetos que
en su camino a través del espacio exterior se topan con la Tierra.
Algunos de estos cuerpos son muy grandes como los meteoritos, o muy
pequeños como las partículas subatómicas de los rayos cósmicos.
Algunos son absorbidos por la atmósfera terrestre y otros rechazados
por el campo magnético terrestre, como los protones y electrones
provenientes del viento solar. Hay un enorme número de estos cuerpos
llegando todos los días, lo que hace que su presencia en el planeta sea
constante y que sus efectos puedan ser importantes.
Existe además otro tipo de partículas que arriban a la Tierra en
cantidades enormes y que pese a ello sus efectos sobre la materia del
planeta son casi imperceptibles. Nombrados neutrinos por el físico
italiano Enrico Fermi, su existencia fue predicha en 1930 por Wolfgang
Pauli en un intento desesperado de mantener una de las leyes
fundamentales de la naturaleza: la conservación de la energía. En
aquella época se hacían los primeros experimentos para comprender la
estructura del núcleo atómico y se estudiaba un núcleo especial del
hidrógeno llamado tritio. Se observó que el tritio se desintegraba en un
núcleo diferente con un protón menos, emitiendo en el proceso un
electrón. La energía del electrón debía ser igual a la diferencia entre las
masas nucleares del tritio menos el núcleo creado, así todos los
electrones emitidos tendrían la misma energía. Pero los experimentos
mostraron otra cosa: se observó que las energías de los electrones se
situaban en un amplio rango de valores, esto indicaba que la ley de la
conservación de la energía no se cumplía. Niels Bohr propuso, entonces,
que quizá esta ley no se cumplía a niveles microscópicos. Pauli en
cambió, sugirió que existía una partícula neutra y ligera todavía sin
observar, que acompañaba al electrón y que transportaba la energía
faltante. Al mismo Pauli le incomodaba la idea pues no había sido
detectada la partícula, pero al final tuvo razón, el neutrino fue detectado
en junio de 1956 por Clyde Rowan y Frederick Reines en los Álamos, los
mismos laboratorios donde se creó la primera bomba atómica.
Figura 1. Instrumental utilizado en 1956 por
Rowan y Reines para detectar antineutrinos.
Los neutrinos están entre los componentes más elementales de la
materia. Lo que los griegos llamaron elementos indivisibles de la
naturaleza, o sea, los átomos, no son los elementos básicos de los
cuales se construye todo en el universo. Un átomo está en realidad
constituido de un núcleo y de electrones orbitando alrededor de él. Pero
el núcleo a su vez se compone de neutrones y protones que tampoco
son los ingredientes fundamentales. Hasta los años setenta se postuló
que los neutrones y protones estarían compuestos de partículas más
pequeñas llamadas quarks. Poco a poco se ha ido verificando su
existencia y el esquema actual que se tiene de los constituyentes de la
materia es el siguiente: existen seis distintos tipos de quarks, que junto
con el electrón, el muón, el tau y los neutrinos, son las verdaderas
partículas fundamentales de las cuales está hecho todo lo que nos
rodea.
Diversos experimentos han mostrado que hay tres tipos de neutrinos: el
neutrino del electrón, el neutrino del muón y el neutrino del tau. Es
común hablar de sabores de neutrinos, que no es otra cosa más que
referirse a alguna de las tres diferentes presentaciones de los neutrinos.
Tenemos así tres sabores distintos de neutrinos pero con características
similares, una importante es que carecen de carga eléctrica, a diferencia
de los electrones que la tienen negativa.
El mecanismo básico por el cual se crean los neutrinos es un proceso a
nivel nuclear conocido como decaimiento beta. Si observamos
permanentemente un grupo de protones podríamos esperar toda
nuestra vida y siempre tendríamos la misma cantidad de protones
porque se consideran estables (1) y no ocurrirá que en algún momento
encontremos otro tipo de partícula. Con los neutrones no es igual, son
inestables y si mantenemos un grupo de ellos, después de casi 15
minutos se habrá perdido la mitad. Lo que ocurre es que el neutrón se
desintegra o decae en tres partículas: en un protón, en un electrón y en
la antipartícula del neutrino; de esta forma son creados más protones y
electrones. Hay otro proceso parecido por el cual también se crean
neutrinos, cuando colisiona un protón con un electrón y se producen un
neutrón y un neutrino.
Los neutrinos son creados de manera natural en lugares tan asombrosos
como el interior de las estrellas y desde tiempos tan antiguos como los
primeros segundos luego de la Gran Explosión. Viajan por todo el
espacio a grandes velocidades y son después de los fotones, las
partículas más abundantes del universo. Como son eléctricamente
neutros, las fuerzas eléctricas o magnéticas no los afectan y por eso casi
no tienen interacciones con la materia; pueden atravesar nuestro
planeta de lado a lado sin que los notemos.
También es posible crear neutrinos artificialmente, por ejemplo en una
explosión nuclear, pero habitualmente se usan reactores nucleares para
producirlos. De hecho, así fue como Rowan y Reines los detectaron por
primera vez luego de la segunda guerra mundial. Observaron un haz de
neutrones que al cabo de un tiempo sufrían la desintegración beta
dando lugar a un haz de antineutrinos. Cuando el haz incidía en un
recipiente que contenía agua y cloruro de cadmio se producían una serie
de reacciones sucesivas que generaban al final tres fotones; el
contenedor se rodeó de detectores de fotones llamados
fotomultiplicadores y los tres fotones fueron detectados
simultáneamente. Esta fue una medida indirecta de la existencia de los
neutrinos, a veces es así como se descubren las partículas, por sus
efectos observados en otras sustancias.
Notas
(1) Review of Particle Physics. Particle Data Group. Journal of Physics G.
33(1), 2006.
Se ha especulado que los protones son inestables. Las teorías de gran
unificación (GUT) predicen una vida media para el protón de 1033 años,
un tiempo superior a la vida actual del Universo.
El protón está compuesto de tres quarks, dos llamados up y uno
nombrado down, el neutrón en cambio, se compone de dos down y un
up. En la reacción p + e -> n + neutrino, el electrón se desintegra con
uno de los quark up del protón, transformándolo en un down, lo que
convierte al protón en un neutrón y en el proceso se libera un neutrino.
Nuestro planeta sufre continuamente impactos de distintos objetos que
en su camino a través del espacio exterior se topan con la Tierra.
Algunos de estos cuerpos son muy grandes como los meteoritos, o muy
pequeños como las partículas subatómicas de los rayos cósmicos.
Algunos son absorbidos por la atmósfera terrestre y otros rechazados
por el campo magnético terrestre, como los protones y electrones
provenientes del viento solar. Hay un enorme número de estos cuerpos
llegando todos los días, lo que hace que su presencia en el planeta sea
constante y que sus efectos puedan ser importantes.
Existe además otro tipo de partículas que arriban a la Tierra en
cantidades enormes y que pese a ello sus efectos sobre la materia del
planeta son casi imperceptibles. Nombrados neutrinos por el físico
italiano Enrico Fermi, su existencia fue predicha en 1930 por Wolfgang
Pauli en un intento desesperado de mantener una de las leyes
fundamentales de la naturaleza: la conservación de la energía. En
aquella época se hacían los primeros experimentos para comprender la
estructura del núcleo atómico y se estudiaba un núcleo especial del
hidrógeno llamado tritio. Se observó que el tritio se desintegraba en un
núcleo diferente con un protón menos, emitiendo en el proceso un
electrón. La energía del electrón debía ser igual a la diferencia entre las
masas nucleares del tritio menos el núcleo creado, así todos los
electrones emitidos tendrían la misma energía. Pero los experimentos
mostraron otra cosa: se observó que las energías de los electrones se
situaban en un amplio rango de valores, esto indicaba que la ley de la
conservación de la energía no se cumplía. Niels Bohr propuso, entonces,
que quizá esta ley no se cumplía a niveles microscópicos. Pauli en
cambió, sugirió que existía una partícula neutra y ligera todavía sin
observar, que acompañaba al electrón y que transportaba la energía
faltante. Al mismo Pauli le incomodaba la idea pues no había sido
detectada la partícula, pero al final tuvo razón, el neutrino fue detectado
en junio de 1956 por Clyde Rowan y Frederick Reines en los Álamos, los
mismos laboratorios donde se creó la primera bomba atómica.
Figura 1. Instrumental utilizado en 1956 por
Rowan y Reines para detectar antineutrinos.
Los neutrinos están entre los componentes más elementales de la
materia. Lo que los griegos llamaron elementos indivisibles de la
naturaleza, o sea, los átomos, no son los elementos básicos de los
cuales se construye todo en el universo. Un átomo está en realidad
constituido de un núcleo y de electrones orbitando alrededor de él. Pero
el núcleo a su vez se compone de neutrones y protones que tampoco
son los ingredientes fundamentales. Hasta los años setenta se postuló
que los neutrones y protones estarían compuestos de partículas más
pequeñas llamadas quarks. Poco a poco se ha ido verificando su
existencia y el esquema actual que se tiene de los constituyentes de la
materia es el siguiente: existen seis distintos tipos de quarks, que junto
con el electrón, el muón, el tau y los neutrinos, son las verdaderas
partículas fundamentales de las cuales está hecho todo lo que nos
rodea.
Diversos experimentos han mostrado que hay tres tipos de neutrinos: el
neutrino del electrón, el neutrino del muón y el neutrino del tau. Es
común hablar de sabores de neutrinos, que no es otra cosa más que
referirse a alguna de las tres diferentes presentaciones de los neutrinos.
Tenemos así tres sabores distintos de neutrinos pero con características
similares, una importante es que carecen de carga eléctrica, a diferencia
de
los
electrones
que
la
tienen
negativa.
El mecanismo básico por el cual se crean los neutrinos es un proceso a
nivel nuclear conocido como decaimiento beta. Si observamos
permanentemente un grupo de protones podríamos esperar toda
nuestra vida y siempre tendríamos la misma cantidad de protones
porque se consideran estables (1) y no ocurrirá que en algún momento
encontremos otro tipo de partícula. Con los neutrones no es igual, son
inestables y si mantenemos un grupo de ellos, después de casi 15
minutos se habrá perdido la mitad. Lo que ocurre es que el neutrón se
desintegra o decae en tres partículas: en un protón, en un electrón y en
la antipartícula del neutrino; de esta forma son creados más protones y
electrones. Hay otro proceso parecido por el cual también se crean
neutrinos, cuando colisiona un protón con un electrón y se producen un
neutrón
y
un
neutrino.
Los neutrinos son creados de manera natural en lugares tan asombrosos
como el interior de las estrellas y desde tiempos tan antiguos como los
primeros segundos luego de la Gran Explosión. Viajan por todo el
espacio a grandes velocidades y son después de los fotones, las
partículas más abundantes del universo. Como son eléctricamente
neutros, las fuerzas eléctricas o magnéticas no los afectan y por eso casi
no tienen interacciones con la materia; pueden atravesar nuestro
planeta
de
lado
a
lado
sin
que
los
notemos.
También es posible crear neutrinos artificialmente, por ejemplo en una
explosión nuclear, pero habitualmente se usan reactores nucleares para
producirlos. De hecho, así fue como Rowan y Reines los detectaron por
primera vez luego de la segunda guerra mundial. Observaron un haz de
neutrones que al cabo de un tiempo sufrían la desintegración beta
dando lugar a un haz de antineutrinos. Cuando el haz incidía en un
recipiente que contenía agua y cloruro de cadmio se producían una serie
de reacciones sucesivas que generaban al final tres fotones; el
contenedor
se
rodeó
de
detectores
de
fotones
llamados
fotomultiplicadores
y
los
tres
fotones
fueron
detectados
simultáneamente. Esta fue una medida indirecta de la existencia de los
neutrinos, a veces es así como se descubren las partículas, por sus
efectos
observados
en
otras
sustancias.
Notas
(1) Review of Particle Physics. Particle Data Group. Journal of Physics G.
33(1),
2006.
Se ha especulado que los protones son inestables. Las teorías de gran
unificación (GUT) predicen una vida media para el protón de 1033 años,
un
tiempo
superior
a
la
vida
actual
del
Universo.
El protón está compuesto de tres quarks, dos llamados up y uno
nombrado down, el neutrón en cambio, se compone de dos down y un
up. En la reacción p + e -> n + neutrino, el electrón se desintegra con
uno de los quark up del protón, transformándolo en un down, lo que
convierte al protón en un neutrón y en el proceso se libera un neutrino.