sábado, 17 de octubre de 2015

Kajita feliz y McDonald también

La semana pasada se anunció que los ganadores del Premio Nobel de Física 2015 son Takaaki Kajita, del observatorio Super-Kamiokande en Japón y Arthur McDonald, del observatorio Sudbury en Canadá. Ambos comparten el premio por su descubrimiento de un fenómeno sorprendente y crucial de la física de los neutrinos. Estas fantasmales partículas subatómicas resultan muy intrigantes para mucha gente, y su fenomenología estuvo relacionada con un misterio astronómico inquietante, así que voy a contar algo.

Los neutrinos son fantásticamente elusivos: casi no interactúan con el resto de la materia, y por tal razón son increíblemente difíciles de detectar. Atraviesan, como fantasmas, todo lo que se les pone delante. En este mismo instante miles de millones de neutrinos están atravesando cada centímetro cuadrado de tu cuerpo. No te hacen ni cosquillas, y no podés hacer nada para evitarlo. ¿De dónde vienen?

El Sol produce muchísimos neutrinos. Cada reacción nuclear que convierte 4 hidrógenos en un helio en el centro del Sol produce, de yapa, dos neutrinos. El Sol convierte 700 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo. Así que produce una pasmosa cantidad de neutrinos. Hagan la cuenta, a mí me da pereza. Pero son miles de millones por centímetro cuadrado por segundo a la distancia que nos encontramos del Sol.

Cuando se construyeron los primeros detectores de neutrinos en la década del 60 se observaron los neutrinos provenientes del Sol, e inmediatamente apareció un problema. Se sabía, por lo que sabemos de cómo funciona el Sol, cuántos neutrinos debía producir. Y se detectó apenas la tercera parte. ¡Un tercio! ¿Dónde estaba el resto? ¿Qué había fallado? ¿Nuestro entendimiento del Sol, o de la física de las partículas elementales? Es difícil transmitirlo en unas pocas líneas, pero realmente era un problema muy serio, y hasta preocupante.

La falta de neutrinos provenientes del centro del Sol, tomada así nomás sin anestesia, significaba que el Sol se estaba apagando. La luz, la radiación electromagnética, que se origina en el centro del Sol tarda unos cien mil años en llegar a la superficie (y 8 minutos después la vemos acá). Pero los neutrinos, en su fantasmal carrera, salen del Sol en un santiamén. Los neutrinos que vemos son fresquitos, recién producidos. Era imaginable que el horno termonuclear se hubiera apagado, y que la luz siguiera brillando un tiempo más. ¿Qué pasaría? ¿Podría realmente apagarse el Sol? Al dejar de fluir la energía que lo mantiene inflado, ¿acaso colapsaría por su propio peso y explotaría como una nova? ¿Dentro de pocos años? Ninguna perspectiva era muy alentadora para nosotros en la Tierra.

Cuarenta años tardó en llegar la solución al problema de los neutrinos solares. Resulta que los neutrinos vienen en tres clases, que los imaginativos físicos de partículas llaman sabores. Pero estos sabores no son chocolate, vainilla y frutilla. Se llaman neutrinos electrónicos, muónicos y tau (¿tauónicos?). Los neutrinos que produce el Sol son de sabor electrónico. Lo que descubrieron en Super-Kamiokande y en Sudbury fue que, en su viaje desde el Sol, los neutrinos oscilan, es decir cambian de sabor. Cuando los detectamos en la Tierra, los electrónicos son apenas un tercio del total. Pero si se cuentan todos los sabores, la producción de neutrinos solares es perfectamente normal. El Sol no va a explotar, todos contentos, Premio Nobel para Kajita y McDonald.

La resolución del problema no deja de ser curiosa desde un punto de vista epistemológico. Básicamente había dos posibilidades: o había un problema con nuestro entendimiento de cómo funciona el Sol (el modelo solar), o con nuestro entendimiento de cómo funcionan las partículas elementales (el modelo estándar). Cualquiera (yo, por ejemplo) hubiera dicho que lo que estaba mal era el modelo solar. Después de todo, el Sol es una cosa gigante, turbulenta, caótica, un lío de mil fenómenos físicos a una multitud de escalas, desde las reacciones nucleares a escala subatómica hasta los terroríficos estrellamotos y las erupciones de la corona. El modelo estándar, por su parte, era un bello edificio matemático construído lógica y primorosamente en base a experimentos bien controlados. Y, sin embargo, resultó que el modelo solar estaba bien, y que el que hubo que modificar era el modelo estándar. De hecho, la modificación no está completa: hay mucho de la física de los neutrinos que todavía ignoramos. Habrá más premios nobeles neutrínicos en el futuro, eso es seguro.


En Bariloche tenemos a uno de los expertos mundiales en la física de los neutrinos más allá del Modelo Estándar, Esteban Roulet, en el Grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche. En un review suyo anterior al descubrimiento de la oscilación se analiza la resolución del problema de los neutrinos solares mediante estas oscilaciones. Los neutrinos que cambian de sabor deben tener masa, a diferencia de los del Modelo Estándar, que son completamente sin masa, como los fotones, y por lo tanto viajan a la velocidad de la luz. Hay una especie de relación de incertidumbre masa/sabor. Pero también podrían no tener masa, la verdad que todavía se barajan distintas alternativas para hacerlos encajar en el "nuevo" Modelo Estándar. Sólo los experimentos o las observaciones astrofísicas podrán ir decantando las posibilidades.

Compartir:

7 comentarios:

  1. Jajajaja. El título más ingenioso de toda la Internet.

    ResponderEliminar
  2. Haha excelente titulo. Me acuerdo haber visto en un vídeo (Específicamente "Science at Work" en el canal de youtube de Fermilab) en el que hablaban sobre la oscilación de los neutrinos. No me queda muy claro si Kajita y McDonalds descubrieron que esta oscilación ocurre en los neutrinos liberados por el sol o si tuvieron algo que ver con el descubrimiento de las oscilaciones en si. ¡Gracias por el articulo!

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Descubrieron las oscilaciones del sabor de los neutrinos "en vuelo". El caso de los neutrinos solares es un caso particular. Hay neutrinos de distintos orígenes: atmosféricos, artificiales, solares, astrofísicos, cosmológicos. Todos oscilan, todos han sido observados salvo los cosmológicos. Aunque tal vez también. Ya contaré algo sobre éstos.

      Eliminar
  3. Oscilación del neutrino implica crear energía de la nada, ¿es posible?:
    En el Sol: Protón+electrón --) neutrón + neutrino electrónico
    Este neutrino electrónico puede reaccionar con un neutrón y dar la reacción inversa:
    neutrino electrónico + neutrón ---) Prótón + electrón
    Pero si fuera cierto que oscila:
    El neutrino electrónico se puede cambiar a muónico y:
    neutrino muónico+ neutrón -----) Protón+muón
    Y como el muón es más pesado que el electrón, se ha creado energía de la nada, ¿es posible?

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. No, Antonio. El neutrino justamente fue propuesto teóricamente antes de observarlo, porque no se conservaban la energía y el momento lineal en el decaimiento radiactivo. La oscilación solmente implica que los neutrinos tienen masa.

      En las reacciones que proponés sólo estás teniendo en cuenta la energía correspondiente a la masa en reposo. La energía que se conserva es la energía total, incluyendo la familiar energía cinética.

      Se puede crear energía de la nada por fuctuaciones cuánticas del vacío, pero sólo por breve tiempo. Pero no es como las reacciones que decís.

      Eliminar
    2. Lo de que no se conservan energía y momento lineal fué un trabajo de W. Pauli debido a la nueva partícula que se acababa de encontrar en 1.928: El neutrón. En estas reacciones que yo propongo, en presencia del neutrón, se tiene que suponer teóricamente en 1.931 la existencia de una partícula: El neutrino. De ahí surge la norma de mantenimiento del número de bariones y número de leptones a izquierda y derecha de estas reacciones. Un ejemplo: Protón, electrón y neutrón son fermiones (Partícula de spín medio, tres medios,...)
      Si consideras la reacción sin neutrinos: Protón+Electrón ---) Neutrón Tienes 2 spines medio a izquierda, y 1 sólo spín medio a la derecha, lo cual rompe con el principio de conservación del momento angular de la física, por eso Pauli tuvo que suponer un neutrino con el neutrón, y darle al neutrino spín medio.
      ------------------------------------------------------------------------------------------------------
      Analicemos la energía cinética en la formación del neutrino en el Sol:
      Para formar un neutrino muónico en el Sol:
      (1) Electrón ---(Mucha energía)---) Muón v(Electrón)>0.9999875*c (Esta energía no la puede proporcionar el Sol en ningun punto de su volumen, porque el defecto de masa de las fusiones, que son a deuterio, despúes a helio 3, y finalmente a helio 4, sólo dan alrededor de 10^- 30 Kgr, esto es una v(Electrón)<<0.001*c considerando efecto térmico por muchas reacciones de este tipo y considerando la presión por gravedad)
      (m(Protón)=1.673*10^-27(Kgr.) m(Electrón)=9.1*10^-31(Kgr.) m(Neutrón)=1.675*10^-27(Kgr.) m(Muón) es más o menos 200 veces m(Electrón)
      v(Electrón) de la 3º línea se ha calculado por diferencia de masa entre electrón y muón, y la ecuación de Einstein m=m(Reposo)/(1-(v/c)^2)^0.5
      (2) Protón+Muón-----) neutrón + neutrino muónico
      Para que un neutrino electrónico oscile, y pase al estado de neutrino muónico, hay que proporcionarle la energía de la reacción (1), pero el Sol no lo hace. Aunque tengas el neutrino electrónico solar más rápido, este no llega a esta velocidad. Si este neutrino electrónico solar intentara convertirse a neutrino muónico perdiendo velocidad, antes de este cambio se pararía, y no cambia. ¿Surge esta energía de la nada? Es mucha energía para ser una fluctuación cuántica de vacío.

      Eliminar
    3. La pertícula propuesta por Pauli en 1930 para el mecanismo del decaimiento radiactivo es el neutrino, específicamente el neutrino electrónico, si bien Pauli la llamó neutrón. En 1932 se descubrió el neutrón del núcleo, mucho más pesado. Fermi rebautizó la más liviana, la del paper de Pauli de 1930, como neutrino.

      Eliminar

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...