Hola Elementales,
Dedicaremos la entrada de hoy a las partículas más misteriosas de todas las que se han descubierto: Los Neutrinos.
Se están poniendo en marcha, justo ahora, dos de los proyectos más ambiciosos para estudiarlos: el proyecto T2K (Tokai to Kamioka) en Japón, el proyecto NOvA (NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance) en USA. Junto con el proyecto Ice Cube, en La Antártida para seguir los neutrinos que proceden del espacio, y el SuperKamiokande, hacen que los neutrinos estén más de moda que nunca.
El neutrino se postuló en 1930 por el genial
Wolfgang Pauli como la solución para que no se violara el principio de conservación de la energía (en el que se creía y aún hoy se cree firmemente): aunque no fuéramos capaces de observarla, debía de haber una partícula neutra que se llevaba parte de la energía y del momento lineal, en la desintegraión Beta (proceso de desintegración radiativa donde un neutrón se convierte en un protón y se emite un electrón a muy alta energía, y hoy sabemos que además un antineutrino, tal y como acertadamente predijo Pauli).
La partícula postulada, hoy llamada neutrino (en italiano neutro-pequeño) es un leptón (de la misma familia que el electrón), y como tal no le afecta la fuerza nuclear fuerte. Sin carga eléctrica, luego tampoco le afecta la interacción eléctromagnética. Y, se creía que, sin masa en reposo, como el fotón. Hoy sabemos que sí tienen una masa muy, muy pequeña, pero no nula. Y de spin 1/2.
Como un neutrino, casi únicamente sólo interactúa a través de la fuerza nuclear débil, y sólo a distancias inferiores al radio de un protón, puede atravesar la materia como si ésta no estuviera: ¡uno de ellos podría atravesar un bloque de acero de un año luz de largo para tener alguna probabilidad significativa de trasformar un protón en un neutrón, por ejemplo, tras chocar con él!
A nosotros mismos, en este momento, nos están atravesando miles de millones de neutrinos cada segundo procedentes del Sol. Que a continuación prosiguen su camino y atraviesan la Tierra de lado a lado como si tampoco estuviera... ¡son como verdaderos fantasmas!
Así que, no es raro que tardaran 26 años en encontrar una prueba experimental de su existencia: en 1956
Clyde Cowman y
Frederick Reines lo consiguieron. Bombardeando agua pura con un haz de 1018 neutrinos por segundo, obtuvieron una emisión de fotones subsiguiente y así quedó comprobada su existencia.
Según el
Modelo estándar (detalles básicos) de la Física de partículas, hay tres familias de partículas conocidas, cada una de ellas con su propio tipo de neutrino asociado: el neutino electrónico (asociado al electrón), el muónico (asociado al muón, una especie de electrón más pesado y de corta vida) y el tauónico (asociado al leptón tau, un primo muchísimo más pesado aún del electrón).
Uno de los mayores misterios que los envolvía era si poseían masa o no, ya que no se había podido medir dado lo "ligeros" que eran . Si poseían algo de masa, aunque fuera poca, podrían tener un "peso" enorme en el conjunto del Universo, por ejemplo para determinar si finalmente la expansión se pararía, o en la propia geometría del Universo, ya que son muy, muy numerosos.
Hoy sabemos que no sólo no se está frenando la expansión del Universo si no que se está acelerando, debido a la "Energía Oscura", una suerte de energía del vacío o costante cosmogológica, que actúa como una gravedad repulsiva.
También sabemos que hay mucha más materia de la que podemos "ver". Y los neutrinos han sido durante mucho tiempo un candidato a ingrediente de la denominada
materia oscura (no es lo mismo que la energía antes mencionada, ojo): de la que sabemos que "pesa" pero no podemos observarla (sentimos y podemos medir sus efectos gravitatorios, pero no interactua con el electromagnetismo, por lo que no emite ninguna luz en ninguna frecuencia). Hoy sabemos que tampoco podrían ser un ingrediente significativo de la misma. Se calcula que la materia ordinaria no llega ni al 4% de todo lo que hay en el Universo Observable (lo que le ha dado tiempo a recorrer la luz desde el comienzo hace unos 15.000 Millones de años), la Materia Oscura un 20%-25% y el resto es Energía Oscura (como un 70%).
Las reacciones que mantienen encendido al Sol, así como el ritmo necesario para mantenerlo estable, se cree desde hace tiempo que se conocen bien, y básicamente, aunque mediante dos tipos de ciclos, al final trasforman dos protones en dos neutrones uniéndolos con otros dos protones más para lograr un núcleo de helio (2p2n). En el proceso se liberan dos positrones (la antipartícula del electrón pero con carga positiva) y dos neutrinos electrónicos.
Según estos cálculos, a la Tierra le deberían llegar del orden de 10^20 neutrinos por segundo y por unidad de área. ¡La sorpresa sobrevino cuando tras medir concienzudamente se descubrió que a la Tierra sólo le llegaba una tercera parte de lo esperado!. ¿No sería que al final no conocíamos tan bien como creíamos lo que sucede dentro del Sol?
La explicación más plausible fué aún más misteriosa y se conoce como "Oscilación Neutrínica" o "Problema de los neutrinos solares". No se sabía cómo, pero los neutrinos cambian de sabor conforme viajan desde el Sol a la Tierra, con una probabilidad casi al azar entre los sabores, de ahí el tercio observado. Así al medir sólo los neutrinos electrónicos, que son los que debería producir el Sol, no veíamos los otros sabores en los que se habían ido trasformando. Se sabe que dependen de la distancia recorrida desde su generación y que dentro de la materia el efecto es más acusado... y poco más.
Esto desafiaba el Modelo Estandar, ya que según el mismo, los neutrinos sólo podrían cambiar de sabor si su masa fuera no nula (aunque a priori les había asignado masa cero). Al final el modelo podría modificarse sin demasiados problemas para masas pequeñas (como las acotadas por los experimentos, como posibles).
Los neutrinos son la única partícula que nos podría permitir mirar directamente qué sucede dentro de una estrella, o al comienzo mismo del Universo: ya que en origen del Universo la radiación no pudo viajar libremente debido a las altas condiciones de temperatura y presión reinantes, todo él estaba en estado de plasma, y no podía ser atravesado por los fotones, hasta que se enfrió lo bastante como para dejar de ser plasma (los nucleos atraparon a los electrones y se crearon los primeros átomos). Tras los primeros cientos de miles de años el Universo se volvió transparente a la luz!. A partir de ahí, podemos mirar diretamente en la Radiación Cósmica de Fondo, aún observable, entonces muy caliente como el propio Universo. Hoy en día todavía es un débil eco de tan sólo unos pocos grados por encima del Cero Absoluto, y se enfriado hasta ese punto debido a la expansión del Universo.
Así los telescopios de neutrinos serán la siguiente revolución en la observación del Cosmos, que nos permitirá ver cosas totalmente nuevas e insospechadas, tal y como sucedió antes con la aparición de la astronomía en ondas de radio o radioastronomía, la infrarroja, la de rayos X, o la de rayos Gamma. De hecho el proyecto Ice Cube bajo los hielos Antárticos podría considerarse el primer telescopio de neutrinos rudimentario.
La presión en el interior de una estrella moribunda es tan alta, que hasta los propios neutrinos empiezan a interactuar con la materia, que empieza a dejar de ser transparente para ellos en esas condiciones. Se sabe que juegan un papel muy importante en el fin de una estrella masiva, y que se llevan casi toda la energía de la estrella en esos momentos finales. Así, en una supernova casi toda la energía de la explosión es emitida en forma de neutrinos de alta energía.
El detector SuperKamiokande en Japón logró algo sin precedentes: pudo medir en la supernova 1987A el retraso entre la llegada de los fotones y de los neutrinos procedentes de la explosión, demostrando así que los neutrinos sí tenían masa: si no la hubieran tenido habrían viajado a la velocidad de la luz, como los fotones y llegado por tanto a la vez que éstos, y no lo hicieron, llegaron casi a la vez, pero al final un poco después (la masa debe de ser al menos 2000 veces inferior a la del electrón, ya que su velocidad era de 0,99999... con muchos decimales la de la luz).
Las trampas actuales para detectar neutrinos, suelen ser de dos tipos, pero siempre incluyen tanques enormes llenos de alguna sustancia que reaccione bien con ellos, cuando chocan (como moléculas de cloro, agua pesada, etc...). La cantidad de sustancia debe de ser enorme: ya que un sólo neutrino tiene una probabilidad tan baja de interactuar con la materia, hay que aumentar enormemente el número de neutrinos (el sol es una fuente enorme de neutrinos de tipo electrónico, y las centrales nucleares de fisión) y sobre todo el de partículas de materia.
El tipo Radiactivo: el neutrino choca con una partícula del núcleo, trasmutando un protón en un neutrón o viceversa, y dando lugar a algún elemento próximo pero radiactivo (ejemplo el Cloro 37 se transmuta en Argón 37 radiactivo (y podamos ver sus emisiones).
El tipo Cherenkov: el neutrino choca con un electrón, y le comunica una velocidad que en ese medio puede ser superior al de la luz en él, emitiendo la característica
radiación de Cherenkov (algo así como el estruendo de un avión cuando supera la velociadad del sonido pero con luz. ¡Ojo! Esto no viola la Relatividad de Einstein, sólo supera la velocidad de luz en ese medio material (donde será inferior a la del vacío por supuesto, la partícula viaja a menor velocidad que la luz en el vacío). En este tipo de detector se ponen cientos o miles de fotoamplificadores-detectores en el inmenso tanque de líquido transparente para detectar todos y cada uno de los destellos que se produzcan.
Deben estar enterrados bajo tierra a cientos o miles de metros para no confudir el experimento con los destellos procedentes de choques de neutrinos y otras partículas procedentes del espacio exterior con moléculas de la atmósfera. Normalmente en minas muy profundas ya avandonadas.
Los neutrinos procedentes del espacio y que chocan con la atmósfera o con la superficie de la Tierra, también son muy interesantes y se están estudiando aparte. Nos traen información de primera mano sobre fenómenos increíblemente energéticos en el Universo, como supernovas, choques de estrellas de neutrones, agujeros negros, etc...
El proyecto NOvA acaba de empezar a construirse en una mina de Minnesota coordinado con el Laboratorio de Aceleración Nacional Fermi. Contendrá 15.000 toneladas de sustancia para detectar partículas, y pretende investigar el papel de los neutrinos en el origen del Universo. El haz de neutrinos se generará en el Fermilab y se detectarán en el detector Nova en Minnesota, atravesando las 500 millas que los separan (unos 800 kilómetros) en 3 milisegundos. Las cifras son enormes: acero, carreteras, 180 científicos e ingenieros de 28 instituciones...
Para más información, podeis echarle un vistazo en:
http://www.fnal.gov/nova/El proyecto T2K (Tokai to Kamioka) en Japón se dedicará a investigar la oscilación neutrínica. Acaba de detectar el primez haz de neutrinos muónicos producidos el J-PARC (Japan Proton Accelerator Complex). Ya el superKamiokande detecto las primeras oscilaciones entre sabores muónicos y electrónicos, producidos en la alta atmósfera. Se trata de generar un haz controlado y medible con una intensidad enorme para poder medir en el detector. Se generarán neutrinos muónicos de 12GeV (Giga electrón voltios, una manera de medir la energía para estas partículas tan pequeñas y su masa conforme a E=mc2). 1 Electrón Voltio es la energía que adquiere un electrón en reposo tras someterlo a un campo electrico de 1Voltio. 1GeV y viene a ser aproximadamente similar a la masa del protón (en reposo).
Para saber más:
http://j-parc.jp/index-e.htmlhttp://kek.jp/intra-e/press/2009/J-PARCT2K.html
El proyecto
Ice Cube es simplemente espectacular e imaginativo: para detectar los neutrinos procedentes del espacio, que traen tanta información del Universo entero, se ha considerado que los hielos Antárticos son el mayor depçosito de una sustancia (en este caso agua) lo suficientemente pura y transparente que hay en el planeta. Así se están perforando miles de pozos en un área de varios kilómetros cuadrados, de una profundidad similar al lado del cuadrado, formando un Cubo de kms de lado "lleno" de fotodetectores ubicados de forma uniforme cada cierta distancia en metros en todas direcciones.
¿La idea es buena o no? Imaginaros la dificualtad técnica y de ingeniería civil. Y mantener gente permanentemente allí. Por no hablar del matenimiento de los detectores a kms bajo el hielo..
Para saber más:
http://icecube.wisc.edu/Como veis, pese a que cumplen casi 80 años desde su descubrimiento, los neutrinos gozan aún de una salud de hierro, en lo que a misterios y secretos suponen aún para los investigadores.
¿Quien iba a decir que un truco matematico para conservar la energía llegaría tan lejos?
¿Tu qué opinas? Los trucos matemáticos en física, siempre han pasado finalmente de ser considerados únicamente eso : un truco útil que simplificaba cálculos, a convertirse en una realidad física con entidad propia; como la propia energía, el concepto de campo (frente a fuerza), etc...
¿Hay una misteriosa conexión entre las ideas matemáticas más sencillas y elegantes y la realidad última de nuestro Universo? ¿o es una simple casualidad desconcertante?
¿Subyace una verdad profunda bajo todo ésto?, como que el Universo es en realidad pura matemática, tal y como creían los antigüos Pitagóricos y Platónicos ¿O el cerebro humano, fruto de millones de años de evolución para adaptarse a él y realizar modelos y predicciones, realmente piensa de un modo similar a como el Universo realmente actúa, fruto de nuestra propia experiencia en él?.
¡No seais tímidos y exponer vuestras ideas! Cualquier participación es mejor que "nada". Incluso las primeras ideas aún sin elaborar, (y sin tener una opinión previa formada). A veces esta primera intuición suele ser muy acertada, aunque se exprese de forma coloquial.
Muchos saludos (pero muy pequeños, como los neutrinos).
Franciso Jose Menchen
El CERN ha anunciado que el LHC la máquina más potente y compleja jamás creada por el hombre, la más cara y la más esperada, por fin ha llegado a su máximo nivel de intensidad (batiendo no sólo el récord mundial sino hasta el de funcionamiento previsto). Con el máximo nivel de energía ya alcanzado y ahora el de intensidad...es sólo cuestión de tiempo que descubramos algo de física realmente nueva. Puede que lo hayamos hecho ya, pero analizar los datos hasta ahora obtenidos no es nada sencillo.. (si se hubiera encontrado ya algo realmente esperado se habría descubierto en tiempo real...)
Estaremos atentos a las noticias entorno a estos neutrinos... pero ya han conseguido algo positivo: en toda la prensa, incluida la generalista se ha hablado de esto! Un gran éxito mediatico, teniendo en cuenta las reducciones presupuestarias para todos los centros de investigación, no vienen nada mal un poco de luz sobre estos aspectos para que se mantengan los aportes monetarios que los soportan...nada hay más rentable que invertir en ciencia básica (para los que no crean que descubrir la naturaleza y conocer nuestra realidad más profunda no sea suficiente premio y legitimación): cada euro invertido aquí retorna más de 14. Casi todos los descubrimientos más sorprendentes en materiales, supercomputación, etc... incluido internet y el correo electrónico se descubrió e inventó para estos experimentos tan colosales, donde colaboran miles de científicos, ingenieros, técnicos, etc... de varias decenas de países en perfecta armonía, con fines totalmente pacíficos y publican todo (sin secretos de estado para el progreso de la humanidad).
