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Ecos del futuro

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    Pedro J. Hernández



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  • Inicio > Historias > Neutrinos

    Neutrinos

    Continuación de MACHOs y exoplanetas y Materia oscura

    Cuando tenía unos 13 años recuerdo haber leído en algún libro que existían unas partículas más pequeñas que los átomos que eran capaces de atravesar un muro de plomo de un año luz de espesor. Fui a contárselo rápidamente a mi padre y todavía recuerdo la impresión que me dejó esa lectura.

    Esas partículas son los neutrinos. Un neutrino es una partícula fantasma que apenas tienen masa, no tienen carga eléctrica y sólo puede interactuar con las demás partículas por medio de la fuerza débil o la gravedad --diez millones y un uno seguido de 32 ceros más débiles respectivamente que la fuerza electromagnética--. En realidad hoy sé que la frase correcta debería haber sido que de un haz de neutrinos que atraviesa un muro de plomo de un año luz de espesor, aproximadamente sólo la mitad pasarán al otro lado.

    La existencia del neutrino fue predicha en 1930 por Wolfgang Pauli al percatarse de que el inventario de energía y momento que hacen los físicos al principio y al final de un proceso, no cuadraba en el caso de la desintegración beta, donde un neutrón se convierte en un protón y un electrón o un protón lo hace en un neutrón y un positrón. En realidad hay cuatro procesos posibles, como se puede ver en la siguiente figura.




    Pero no fue hasta 1956 cuando Clyde L. Cowan y Frederick Reines utilizaron dos tanques de agua de 200 litros con 40 kg de cloruro de cadmio disuelto y colocados a 11 metros de un reactor nuclear y a 12 metros de profundidad. Ese primer experimento no dejaba ya duda de que no se podrían cazar a estos fantamas sin una trampa enorme.

    En 1964 John N. Bahcall hizo el cálculo preciso del número de neutrinos emitidos en las reacciones nucleares del interior solar. El resultado implica que en este momento están atravesando una uña del lector unos cien mil millones de neutrinos procedentes del Sol. Ahí tiene una prueba en sus propias carnes de que la materia oscura existe --los neutrinos son materia oscura por definición: no emiten luz y forman parte del contenido material del universo--

    Sin embargo los experimentos posteriores --el primero de ellos organizado por el mismo Bahcall-- demostrarían un defícit de neutrinos respecto de lo que predecía el modelo. En concreto sólo eran detectados aproximadamente un tercio de los neutrinos predichos. Éste es el origen del famoso problema de los neutrinos solares.

    Desde mediados de siglos se sabía que existían más tipos de neutrinos, y de hecho en 1987 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger detectaron el neutrino muónico. El anuncio de la detección del neutrino tauónico fue realizado en 2000.

    En 1969 Vladimir Gribov and Bruno Pontecorvo ya habían sugerido la posibilidad de que los neutrinos cambiaran de un tipo a otro en su viaje desde la fuente al detector. Los experimentos eran sensibles a los neutrinos de tipo electrónico resultado de la desintegración beta --que veíamos en la figura anterior--.

    En 1985, el experimento japoné Kamiokande detectó el mismo déficit de neutrinos, pero esta vez procedentes de las desintegraciones producidad en la atmósfera por causa de los rayos cósmicos de alta energía. ¿Qué estaba pasando con los neutrinos ausentes?. Una versión de mayor escala del experimento japonés --el Super-Kamiokande-- sensible a la dirección de llegada de los neutrinos sería la primera confirmación de la transmutación de unos tipos de neutrinos en otros. Los números de este detector son asombrosos. Localizado a 1.000 m bajo tierra, consiste en un tanque de 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por cerca de 11.000 tubos fotomultiplicadores. La estructura cilíndrica tiene 40 m de alto y 40 m de ancho --si el lector no queda impresionado puede echar un vistazo a la galería de fotos--

    The Sudbury Neutrino Observatory fue el primer detector sensible a los tres tipos de neutrinos. El experimento no es menos impresionante que el Super-K. Consistente en una esfera de 18 m de diámetro con 10,000 fotomultiplicadores que rodean a una esfera transparente de 12 m de diámetro y 5 cm de expesor de acríclico que contiene agua pesada y sumergida en agua ligera. Y todo enterrado a 2 km de profundidad.




    En este punto el lector se estará preguntando qué significa todo esto. ¿Cuántos tipos de neutrinos hay?. ¿Cuánto pesa un neutrino?. ¿Qué tiene todo esto que ver con el problema de la materia oscura en las galaxias?.

    En el Modelo Estándar de la Física de Partículas se suele clasificar a las partículas fundamentales que forman toda la materia en dos tipos fundamentales: leptones y quarks. En principio todas las observaciones y experimentos realizados hasta la fecha son compatibles con la existencia de tres familias --ordenadas como se ven en la siguiente tabla--




    Pero nadie sabe por qué deberían ser tres. Y por ello no podemos descartar a priori que no existan más familias. Podrían existir entonces aún más tipos de neutrinos. Aunque en principio los experimentos del LEP parecen incompatibles con más de 3 tres tipos.

    Los expermientos como Super-K no pueden dar una medida directa de las masas de los neutrinos. Sólo de las diferencias de los cuadradados de las masas. Así sólo se disponen de límites superiores. Por ejemplo, el neutrino electrónico de toda la vida no debería pesar en ningún caso más de 2,2 eV. Para que nos hagamos una idea de lo ridícula que es esta masa, el electrón --la partícula masiva más ligera que se conoce-- pesa unos 0,5 MeV, es decir, unos pocos cientos de miles de veces más que el neutrino.

    En la próxima entrada responderemos a la cuestión que realmente nos interesa: ¿Qué tiene todo esto que ver con el problema de la materia oscura en las galaxias?

    Continúa en Galaxias de neutrinos

    Referencias
  • Hyperphysics. Neutrino
  • Hunting for Neutrinos. Canal CernTV en Youtube.
  • John N. Bachall Homepage
  • La Aventura de las Partículas
  • Neutrino Mass Review
  • SuperKamiokande FAQ
  • The Ghost Particle. Nova
  • The Ultimate Neutrino Page

    2008-04-26 23:38 | Astronomia, Fisica | 10 Comentarios


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    Comentarios

    1
    De: alshain Fecha: 2008-04-28 13:44

    Es una suerte que te hayas decidido a escribir más sobre física y cosmología en tu blog. Es una delicia leer estas. Al menos yo pasaré más frecuentemente por aquí y te voy a enlazar en mi blog.

    Un saludo.



    2
    De: alshain Fecha: 2008-04-28 13:46

    "Es una delicia leer estas entradas" quise escribir, pero mis dedos me llevaron inesperadamente al botón de enviar ;-)



    3
    De: Pedro J. Fecha: 2008-04-28 15:22

    ¿Estás diciendo que mis otras entradas no son interesantes? ;-))

    Gracias



    4
    De: Keroak Fecha: 2008-04-28 16:10

    Felicidades.
    La verdad es que siempre había considerado lo de la materia oscura como algo fuera del alcance de mis conocimientos de física. Sin embargo, desde que empece a leer esta serie de artículos, estoy asimilando los conceptos y me está gustando. ^^



    5
    De: alshain Fecha: 2008-04-28 16:13

    Las que leo constato que sí son interesantes, pero mi interés por entrar a leerlas es bajo y por comentarlas ya nulo. Seguro que la mayoría de los lectores aquí entran a leer y comentar por el tema de la energía y el debate que frecuentemente planteas, pero también estoy seguro que otros, como yo que llegué aquí tras conocer previamente tu página sobre cosmología, estamos contentos de encontrar comentarios sobre física como el de la materia oscura o el bonito comentario sobre la inercia.

    Un saludo.



    6
    De: jamg Fecha: 2011-10-01 04:23

    excelentes tus entradas sobre los neutrinos , ojala puedas comentar mas a fondo el resultado y los alcances del experimento que recien hicieron los italianos en donde concluyen que la velocidad de los neutrinos es mayor que la velocidad de la luz.



    7
    De: a.h.Camparin Fecha: 2011-10-11 08:44

    Sabes que hay hasta ahora que los nu
    eutrinos podrian superar la velocidad dela luz y que pasaría con la teoria de Aistein



    8
    De: Unkhipin Fecha: 2012-01-25 20:55

    Genial!! me gusto.

    Aunque, según tengo entendido la masa del neutrino por ser tan baja no contribuye a lo que representa ma materia oscura, que recordemos son unas 8 veces más pesada que la masa visible..

    Saludos



    9
    De: Albert Fecha: 2013-04-05 15:17

    Buenísimo el post y muy comprensible, gracias.
    Solo una cosa, siendo un poco tiquismiquis, en el texto dices: "el neutrino electrónico de toda la vida no debería pesar en ningún caso más de 2,2 eV. Para que nos hagamos una idea de lo ridícula que es esta masa, el electrón --la partícula masiva más ligera que se conoce-- pesa unos 0,5 MeV, es decir, unos pocos millones de veces más que el neutrino" exageras en lo de "pocos millines de veces" en realidad 511.000/2,2=232.273 que no llega ni a un tercio de un millón.
    ¡Saludos y ánimos para continuar divulgando!



    10
    De: Pedro J. Fecha: 2013-04-06 00:51

    Gracias Albert. Eso demuestra que ha puesto mucha atención en lo que leías ;) Corregido



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