Neutrinos y las partículas elementales

Los neutrinos son partículas de masa casi nula procedentes de los neutrones

Desde principios de la segunda mitad del siglo XX, el "modelo estándar de la materia" se ha ido consolidando gracias al esfuerzo y a la tenacidad de centenares de científicos que hicieron consistentes los resultados experimentales con las predicciones de los modelos matemáticos.

Wolfgang Ernst Pauli (1900 – 1858) fìsico austríaco nacido en Viena, es uno de los fundadores de la mecánica cuántica. El segundo nombre Ernst, se lo debe a que su padre era un gran admirador de Ernst Mach.

En 1930, cuando estudiaba el fenómeno de la desintegración de núcleos radioactivos, Wolfgang Pauli propuso por primera vez la existencia hipotética de unas partículas desconocidas como explicación a la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones.

Desgraciadamente, según lo previsto, la partícula tenía que estar desprovista de masa, sin carga eléctrica y no estar afectada por la interacción nuclear fuerte. Con los medios disponibles en esos años, no pudo ser detectada y la idea de lo que después de denominó neutrino, quedó aparcada durante 25 años.

La posibilidad de que un neutrino interactúe con la materia, es muy pequeña. Se necesitaría un bloque de plomo de un grosor de millones de kilómetros para detener la mitad de los neutrinos que llegaran a él.

Wolfgang Pauli
Wolfgang Pauli

Los neutrones no son estables y su existencia probable es de sólo 15 minutos. Al desintegrarse, el neutrón, aparentemente da como resultado un protón y un electrón. Pero, además, el neutrón desintegrado produce una tercera partícula muy difícil de detectar con los medios disponibles a mediados del siglo XX: el neutrino. Hubo que esperar hasta 1956 para detectar por primera vez a los neutrinos.

No está de más mencionar que solamente hay tres partículas estables: electrón, protón y neutrino. Todas las otras partículas tienen una existencia muy efímera y se desintegran al cabo de unas pocas milésimas de segundo.

Esta circunstancia da mucho que pensar si se reflexiona acerca de ello cuando miramos nuestro cuerpo que se compone totalmente de electrones, protones y neutrones.

Neutrón

El nombre del físico estadounidense Frederick Reines (1918 – 1998) está intimamente asociado con el descubrimiento del neutrino y con la posterior investigación de sus propiedades fundamentales.

En 1956,  Frederick Reines y su colega Clyde Cowman  demostraron experimentalmente la existencia de los neutrinos. Para ello, bombardearon agua pura con un haz de 1018 neutrones por segundo. Observando la emisión de fotones que originó este bombardeo, determinaron fehacientemente la existencia de estas huidizas partículas. A partir de los años 1990, los estudios astronómicos y cosmológicos proporcionaron una sorprendente cantidad de información acerca de los neutrinos.

En el año 1995, Reines fue galardonado con el Premio Nobel de Física, por el descubrimiento del neutrino y del antineutrino que realizó junto con Clyde Cowman.

Reines
Frederick Reines

 

El neutrino descubierto por Pauli y por Reines es el llamado neutrino electrónico, el que pertenece a la familia de partículas formadas por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos.

En 1987 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron los dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos, pertenecientes a las familias del tauón y del muón, respectivamente.

Los neutrinos son partículas subatómicas de la clase de los fermiones, de carga eléctrica neutra y con espín 1/2.

Inicialmente se pensaba que el neutrino era una partícula sin masa y, por lo tanto, que viajaban a la velocidad de la luz, igual que los fotones. Los últimos estudios han confirmado que los neutrinos tienen masa. Aunque ésta no se conoce con exactitud. se estima que es aproximadamente 500.000 veces más pequeña que la masa del electrón. Tanto los electrones como los neutrinos, tienen poca masa y por ello se denominan "leptones"

Los neutrinos no se ven afectados por la fuerza electromagnética ni por la fuerza nuclear fuerte; pero sí están afectados por la fuerza nuclear débil y por la fuerza de gravedad.

Quarks antiquarks

Resulta curioso saber que del hecho de que en la Tierra se detecten tres clases de neutrinos (neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico) se puede deducir la cantidad de helio que se generó en el momento del Big Bang. Las observacione astronómicas fueron las primeras en decir a los físicos que los neutrinos tienen masa. La conexión entre experimentos de laboratorio, la astrofísica y la cosmología permite a los investigadores avanzar en los conocimientos de nuestro Universo.

Sol con rayos X

El Sol es la fuente más importante de los neutrinos que llegan a la Tierra. Los procesos de desintegración beta de las reacciones que acaecen en el núcleo solar, generan enormes cantidades de neutrinos. Como éstos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar, llegan a la Tierra y la atraviesan sin apenas dificultad.

De hecho, un ser humano es atravesado, en cada segundo, por miles de millones de estas diminutas partículas, sin que se entere. Ha sido muy difícil concebir algún sistema que pudiese detectarlos.

Las principales fuentes de neutrinos artificiales son las centrales nucleares.

En menor medida, los aceleradores de partículas también son generadoras de neutrinos.

Los neutrinos generados en las supernovas tipo II provocan la expulsión de buena parte de la masa de la estrella al medio interestelar.

Central nuclear
Raymond Davis

Raymond Davis (1914 - 2006), físico estadounidense se destacó por sus contribuciones pioneras en astrofísica, en particular en la detección de neutrinos procedentes del espacio exterior.

En el año 1967, Raymond Davis consiguió que el Laboratorio Nacional BrookHaven, instalara un detector de neutrinos en el interior de una antigua mina de oro de Dakota del Sur. El detector era un gran depósito de 400.000 litros de percloretileno, situada a 1.500 metros de profundidad. La instalación  del detector a esta gran profundidad era para  que los rayos cósmicos procedentes del espacio no pudieran llegar hasta el depósito. Solamente los esquivos neutrinos conseguirían atravesar esa pared rocosa de un kilómetro y medio de roca maciza.

Davis y sus colaboradores consiguieron detectar neutrinos electrónicos, utilizando la peculiaridad de que los neutrinos que chocaban con los átomos de cloro, producían átomos de un isótopo reactivo del argón.

Raymond Davis

Inspirado en estos interesantes hallazgos, el físico japonés Masatoshi Koshiba (nacido en 1926), consiguió en 1980 el apoyo de la Universidad de Tokio para diseñar un experimento destinado específicamente a la detección de neutrinos solares y también de los neutrinos provenientes de supernovas, en cualquier parte de nuestra galaxia.

El trabajo culminó en 1995, con la construcción del detector denominado Super-Kamiokade, ubicado en las profundidades de una mina ubicada en la costa Este de Japón.

El detector está constituido por un gran tanque lleno de agua (50.000 toneladas de agua extra-pura). En este experimento, llamado Tokai to Kamioka (T2K), participan 508 científicos de 12 países, entre ellos, España.

En el año 1998, los científicos de este laboratorio anunciaron la primera evidencia de que los neutrinos tienen masa, aunque el valor es muy pequeño.

En el año 2002, Raymond Davis y Masatoshi Koshiva obtuvieron el premio Nobel de Física  por su trabajo en la detección de los esquivos neutrinos.

El físico Masatoshi

ULTIMAS NOTICIAS REFERENTES A LOS NEUTRINOS

Noticia del 16 de marzo de 2012. El señor Sergio Bertolucci, Director de Investigación del CERN, corrobora que los nuevos datos confirman que hubo errores de medición en los experimentos que atribuían a los neutrinos una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Pulse aquí para leer toda la noticia.

Noticia del 16 de febrero de 2012. Captando neutrinos en la Antártida.
Un grupo de 50 personas, entre ellas el español Carlos Pobes, de la Universidad de Zaragoza, empiezan el periodo de 8 meses a cargo de los equipos situados en la base científica estadounidense Amundsen-Scott en la Antártida con el fin de captar neutrinos procedentes de todos los rincones del espacio, aprovechando los 3 km de espesor del hielo antártico. El experimento involucra a 39 institutos de investigación de 11 países. Pulse aquí para leer toda la noticia.

Noticia del 12 de enero de 2012. En Texas, un grupo de investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha determinado que la masa de los neutrinos no excede de 0,26 electronvoltios, dos millones de veces inferior a la masa del electrón. El análisis se basa en datos obtenidos de una selección de 900.000 galaxias luminosas. Pulse aquí para leer toda la noticia.

El 23 de septiembre de 2011, la prensa comunica que, según resultados del acelerador lineal de hadrones(LHC) del CERN, parece comprobado que los neutrinos viajan a mayor velocidad que la luz.

El 27 de diciembre de 2011, l a prensa universal declara el año 2011 como "el año de los neutrinos".

En el CERN, Javier Serrano y Pablo Álvarez (de Castellón) son los dos únicos españoles miembros del equipo de científicos que logró medir que los neutrinos viajan a una velocidad de 25 partes por millón por encima de la velocidad de la luz. Serrano y Álvarez son los diseñadores del sistema de sincronización del experimento (con una precisión entorno al nanosegundo (una milmillonésima de segundo).

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