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Una de las cosas más fabulosas que tiene esto de Internet y la propagación de la información (tal vez a más velocidad que la de la luz como decía Maikelnai en Amazings Bilbao 2011) es que un buen día vas por la calle y oyes a la gente hablando de neutrinos. Y claro, debo reconocer que es muy divertido ver hasta qué punto la información se propaga como un teléfono escacharrado. La intención de esta entrada es hablar un poco sobre la peculiaridad de los neutrinos y su papel en el Modelo Estándar. La tenía casi terminada, en borradores, sin saber muy bien qué hacer con ella. Pero claro, lo de los neutrinos de Gran Sasso me sirve como excusa perfecta :)

Imaginemos un núcleo de un átomo. El núcleo de un átomo no es esa imagen clásica que tenemos que parece una especie de zarzamora donde los neutrones y protones se apilan. Tal vez sea mejor imaginárselo como una especie de sopa donde los protones y neutrones pueden interactuar entre ellos sin necesidad de hablar de vecinos.

Y un buen día, un neutrón está nadando en esta piscina que es el núcleo tan tranquilamente y ¡pum! se convierte en un protón. ¿Así por las buenas? Bueno, no tanto. Porque hay cosas que la naturaleza conserva, que no pueden desaparecer así por las buenas. Por ejemplo, la carga eléctrica. El neutrón es neutro y el protón es positivo, por tanto, tiene que haber alguien que reestablezca el equilibrio. Esto lo podemos conseguir fácilmente con un electrón, que es negativo. Con lo cual, protón+electrón se neutralizan y resuelven el problema de la carga eléctrica. No podemos dejarlo tal cual, porque entonces estaríamos perdiendo otras dos cosas que al universo le gusta conservar: la energía y la cantidad de movimiento. La idea es meter otra partícula, que no tenga carga eléctrica, pero que permita conservar estas cantidades. Esta partícula es un neutrino asociado al electrón o neutrino electrónico. Bueno, en este caso expresado, es su primo el antineutrino electrónico.

Lo podemos expresar de forma más prosaica con: n \to p + e^{-} + \bar \nu_{e} y el escenario físico de esta desintegración es:

Observad que aparece una partícula intermedia, el bosón W^{-} es una de las partículas que transmite la interacción débil, y si entramos en más detalle podemos ver que lo que ha ocurrido es que un quark “down” del neutrón se ha convertido en un quark “up” emitiendo un bosón W^{-} que a su vez, se desintegra en un electrón y en un antineutrino electrónico.

El neutrino vino sugerido por la necesidad de que interacciones tan importantes como la desintegración beta pudieran tener sentido. Pero el neutrino tiene cosas que lo hacen muy peculiar.

Por ejemplo, la primera es que el neutrino al no estar compuesto de quarks y no tener carga eléctrica, únicamente es capaz de interaccionar débil. Esto lo hace extremadamente difícil de detectar y de trabajar con él. No podemos confinarlo en campos magnéticos. Según el modelo estándar, el neutrino no tiene masa (aunque veremos que hay un “pero” a esta afirmación). Es decir, todo apunta a que puede ir de acá para allá pasando de todo con total facilidad porque la probabilidad de interaccionar es muy muy baja.

Cada segundo nos atraviesan unos setenta mil millones de neutrinos solares por centímetro cuadrado y en experimentos como los telescopios de neutrinos se observan muy pocos eventos asociables a neutrinos al día.

Hay tres tipos de neutrinos, uno asociado a cada leptón que existe: el neutrino electrónico asociado al electrón, el neutrino muónico asociado al muón y el neutrino tauónico asociado al tau. El muón y el tau se parecen en sus propiedades al electrón, pero tienen mucha más masa que éste y no son estables.

En los años 60 se propuso que los neutrinos de un cierto tipo podían ser detectados más tarde siendo de otro tipo diferente. Es decir, que por ejemplo un neutrino electrónico podría convertirse en (oscilar a) neutrino muónico. Esto tiene como consecuencia que los neutrinos tienen que tener masa distinta de cero. No sabemos cuanta, si muy muy poca o no, el caso es que tienen que tener una. Y esto implica un cambio muy importante.

La oscilación de neutrinos fue propuesta por el llamado problema de los neutrinos solares. Un problema que se planteó también en los 60 y que ha durado hasta el siglo XXI y consiste en que teniendo en cuenta los modelos de emisión del Sol, deberían medirse muchos más neutrinos de los que se detectan en la realidad si tenemos en cuenta el Modelo Estándar. En 2002 Ray Davis y Masatoshi Koshiba ganaron el nóbel de Física por su trabajo experimental sobre neutrinos solares que encontró que el número de neutrinos detectados era alrededor de un tercio de los neutrinos que se deben emitir.

Se sabía que había tres generaciones de neutrinos, se suponía que no tenían masa aunque ya en 1968 Pontecorvo propuso que si tenían masa entonces podrían oscilar. Esta falta de neutrinos solares era como consecuencia de que los neutrinos electrónicos habían “mutado” a otros tipos de neutrinos en los ciento cincuenta millones de kilómetros de viaje que hay entre el Sol y la Tierra y por tanto esos dos tercios no fueron detectados.

En 1998 el Super-Kamiokande fue capaz de detectar los neutrinos procedentes de la supernova 1987A y además, por el tiempo que pasó entre que fueron detectados allí y en el detector estadounidense Irvine–Michigan–Brookhaven (IMB) todo pareció indicar que los neutrinos deberían tener masa. Se detectaron muy pocos neutrinos y por tanto es muy difícil sacar conclusiones así, pero se puede considerar un indicio al menos. Además, estos experimentos no fueron diseñados en particular para observar supernovas, fue algo que ocurrió y se pudo ver en parte, pero no sacar conclusiones ni mucho menos definitivas.

No obstante, en ese años el Super Kamiokande encontró la mejor evidencia de las oscilaciones de neutrinos. En particular, que los neutrinos muónicos producidos por los rayos cósmicos oscilan en neutrinos tau. No se detectaron estos últimos, pero la diferencia entre los eventos de neutrinos que directamente venían del cielo y los que vienen atravesando la Tierra indicó que esta oscilación se producía. La prueba llegó en 2001 en el Sudbury Neutrino Observatory de Canadá donde se detectaron los tres tipos de neutrinos procedentes del Sol y tras un análisis estadístico exhaustivo se halló que un 35% del total de neutrinos eran electrónicos, lo cual encajaba con la idea de la oscilación.

Si consideramos que un neutrino es, por tanto, algún tipo de “mezcla” entre los tres sabores de neutrino entonces a medida que se propaga por el espacio transcurrido un tiempo habrá una pequeña descompensación entre las tres componentes porque tienen diferente masa, aunque casi imperceptible. Esto quiere decir que un neutrino electrónico acabará siendo una mezcla de electrónico, muónico y tauónico al cabo de un tiempo. Además, como la propagación de la fase se realiza de forma periódica, tras una cierta distancia volverá a ser todo como al principio y luego se repite. Como la diferencia de masas es muy muy pequeña las variaciones también lo son, hasta el punto que las oscilaciones se vuelven macroscópicas y por tanto podemos notarlo con cierta facilidad. En este link viene el desarrollo técnico y el análisis de algunos casos de interés.

El Modelo Estándar es una teoría quiral. Decimos que algo es “quiral” cuando no es exactamente igual a su imagen a través de un espejo porque existen ciertas asimetrías. En el caso de las partículas, utilizamos el espín para hablar de esto y más en particular, se habla de “simetría de paridad” cuando el sistema no cambia al verlo en un espejo. A finales de los 50 se encontró que la paridad no es una simetría fundamental del universo, al estudiar la desintegración de núcleos de Cobalto 60.

Llamaremos “dextrógira” a una partícula cuyo espín tiene el mismo sentido que su movimiento y llamaremos “levógira” al caso contrario. O diestro y zurdo, lo que prefiráis. Esto viene relacionado con otra propiedad importante de las partículas que es la “helicidad” que para partículas sin masa, coincide con quiralidad, pero en partículas con masa no es exactamente lo mismo. En el caso de partículas sin masa, uno nunca puede encontrar un sistema de referencia en el que la partícula esté yendo hacia una dirección opuesta. Si esto resulta un poco lioso, nos vamos a quedar con el hecho de que la observación experimental de neutrinos nos muestra que únicamente parecen haber neutrinos levógiros (zurdos).

El por qué los neutrinos tienen una masa tan pequeña (del orden de 10^8 veces inferior a la del electrón al menos) se trata de explicar en el mecanismo del balancín. Se llama así porque formalmente es igual al ejemplo clásico de dos osciladores débilmente acoplados. El ejemplo que siempre se suele poner es el siguiente:

Tenemos dos péndulos oscilando y acoplados débilmente. Al estar acoplados de este modo, las oscilaciones de uno se transfieren al otro. Uno de los péndulos representa al neutrino electrónico y el otro al neutrino muónico. Se demostró que existe una frecuencia de resonancia que depende del hecho de que el neutrino se propaga a través de la materia que hace que la mayoría de los neutrinos electrónicos oscilen y se conviertan en muónicos o en tauónicos.

Minkowski propuso que existirían un nuevo tipo de neutrinos con una masa muy muy grande (10^{14} veces la del protón). Estos nuevos neutrinos de masa tan enorme “empujarían” la masa de los neutrinos observados a unos valores muy muy pequeños. Esta propuesta eleva dos nuevas preguntas: de dónde salen los neutrinos dextrógiros y de dónde sale la enorme masa de éstos. Que existan neutrinos dextrógiros sería lo lógico, el caso es que únicamente observamos neutrinos levógiros. Con lo cual, en parte, podríamos justificar su existencia aunque no tanto el hecho de que no se observen. Pero sigue estando ahí el hecho de que de momento no hay justificación para la gigantesca masa.

Se discute además si los neutrinos son “fermiones de Majorana”. Estos fermiones tienen la peculiaridad de que son su propia antipartícula. No existen en el Modelo Estándar ejemplos de fermiones de Majorana. El caso es que un fermión de Majorana levógiro sigue siendo levógiro incluso aunque cambie su helicidad. Suena muy extraño, pero tal vez sea por un motivo terminológico. Imaginemos un fermión que tiene tanto helicidad como quiralidad levógira y se desplaza hacia arriba. Si nos desplazamos hacia un sistema de referencia tal que vemos que el fermión se desplaza hacia abajo en vez de hacia arriba, entonces seguirá teniendo quiralidad levógira pero la helicidad ahora es dextrógira. Más aún: la helicidad es una propiedad de la partícula mientras que la quiralidad no.

¿Por qué solo se observan neutrinos levógiros? Como explicaba Francis en Cientifi, los neutrinos dextrógiros no han sido observados y tanto si son partículas de Dirac como de Majorana deben existir neutrinos dextrógiros. Esto nuevamente apunta al mecanismo del balancín, pero nadie sabe de dónde puede salir esa gran masa que haría de balance.

Para colmo, se propusieron también un tipo de neutrinos llamados “neutrinos estériles”. Como e sexplicaba hace unos años en nuestro foro, estos neutrinos son tan tan “neutros” que ni interaccionan débilmente. Aunque parece que algunos experimentos niegan su existencia.

Y ahora hablando sobre los neutrinos de Gran Sasso, se ha visto que los neutrinos muónicos producidos en el SPS al hacer colisionar protones contra una barra de grafito, son detectados como neutrinos tau en Gran Sasso tras haber oscilado. Se detecta y se sabe que no son parte del ruido de fondo gracias a las precisas medidas que se han realizado. Aunque de nuevo, la cautela es la nota predominante debido a que existen numerosas fuentes de incertidumbre en el experimento y nadie puede dar una conclusión ni definitiva ni preliminar y posiblemente hagan falta muchos años hasta que se descubra.

Si finalmente hubiera que tocar algo en los pilares de la relatividad eso no quiere decir que todo lo hecho estos cien años sea mentira o no, coincide con la realidad. Otra cosa es que luego haya que retocar a lo mejor los límites y entrar en dificultades teóricas para justificarlo, pero igual que hoy seguimos usando F = ma para calcular la fuerza para levantar un peso del suelo, la relatividad seguirá dando buenos resultados en su rango de validez y si finalmente se discute algo, será ese rango de validez. Pero por razones obvias, algo que se ha demostrado que funciona muy bien y que arroja resultados muy precisos no se convierte en falso porque pudiera aparecer una contradicción. Pero como digo, aún es muy pronto para lanzarse a especular así que este último párrafo solo es una reflexión, nada más.

Si queréis saber más sobre este experimento os recomiendo las entradas de Francis y la de Freelance Science, en castellano.


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Trackbacks/Pingbacks a esta entrada:
  1. Ontureño dice:

    Me ha molao, esta entrada te la has currao :D

    Yo no sé un carajo de neutrinos, pero cuanto más aprendo de ellos más me parece que son todo un misterio. Por ejemplo, si oscilan de uno a otro, y tienen diferente masa ¿de dónde sale la energía para generar el que sea más masivo?

    Luego hay un montón de cosas que simplemente desconozco, porque no las he leído en ningún sitio, aunque seguramente tengan su explicación estándar: ¿cómo se distingue experimentalmente un neutrino de otro? ¿qué diferencia hay entre un neutrino electrónico y su antineutrino asociado, si no tienen carga?

    No sé, no lo he visto escrito por nigún lado y quizás sea fruto de mi ignorancia en el tema, pero me da la sensación de que la interacción débil tiene todavía muchos misterios que desvelar. Esto de los superlumínicos, de confirmarse, sería simplemente la gota que ha colmado el vaso.

    • MiGUi dice:

      Es que precisamente por eso se cree que puedan ser fermiones de Majorana. Hasta donde yo sé, no hay nada aparte de la conservación del número leptónico (que por otra parte, es casi ad hoc) que te diga lo contrario.

  2. Santiago dice:

    Apasionante entrada, me gustan mucho tus artículos de divulgación.

  3. Luis dice:

    Bravo migui grande como siempre, una pregunta, existe la posibilidad de que el neutrino este formado por subpartículas o hay algo que prohiba esta posibilidad ??

  4. helq dice:

    Muy buen artículo, aunque para mí que no soy físico algunas cosas me resultan algo extrañas y nuevas.

    NOTA: ¿Porqué razón ahora cuando entro en los artículos veo la interfaz de Migui Móvil y no la clásica? (Ya intenté con el botoncito de “Tema Móvil” pero no pasa nada, lo he intentado en Opera y en Firefox ;) )

  5. Barbara dice:

    Todo esto está por encima de mi nivel, pero tengo que decir que acabo de leer “Cánticos de la lejana Tierra”, de Clarke, donde hablan del experimento de los neutrinos solares. Solo que en la novela, la conclusión que sacan los científicos de la escasez de neutrinos detectados es que la actividad solar es menor de la esperada, y que el Sol se acerca a su fin.

  6. Carlos Reyes dice:

    Muy buena entrada MIGUI, eso de los neutrinos es un misterio, fabulosa tu explicaciòn sobre la desintegraciòn, muy didactica, no habìa visto explicaciòn alguna sobre el que los neutrinos son fermiones de Mejorana, al observar las caracterìsticas de los neutrinos por su masa lo primero que pienso es en taquiòn, pero el problema de la oscilaciòn es algo que pone a pensar a uno, en como y porquè lo hacen. Gracias por todo y hasta la pròxima.