Sobre telescopios de neutrinos

Publicado el Martes, 22 de marzo de 2011 por MiGUi en Física
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Entre el 15 y el 18 de Marzo ha tenido lugar el “XIV International Workshop on Neutrino Telescopes” o abreviado, NEUTEL11 que son una serie de conferencias que han tenido lugar en Venecia.

En esta conferencia había una gran expectativa sobre si en ella se iba a anunciar que el experimento XENON100 tendría importantes evidencias de materia oscura tipo WIMP. Aunque finalmente, tras la conferencia del miércoles 16 tales resultados no se han publicado por el momento pero anunciaron que lo harían próximamente. Nuestro gozo en un pozo, al menos por el momento.

Para ponernos en situación, sobre detectores de neutrinos ya hablé hace un par de años del IceCube. También sobre materia oscura y interacción débil, que es la interacción de la que participan los neutrinos.

Los neutrinos pertenecen al grupo de los llamados “leptones”. Los leptones son las partículas que no sienten la interacción fuerte, y son tres más tres neutrinos asociados a cada una de ellas. Todas estas partículas tienen carga eléctrica -1 y espín 1/2. Son el electrón, el muón y el tau. De esas tres, únicamente el electrón es estable y el más ligero, el muón tiene una masa 200 veces mayor a la del electrón y decae en unos 2 microsegundos y el tau cuya masa es 3000 veces la del electrón decae en 0.3 picosegundos (es decir, aproximadamente 10 millones de veces más rápido). Cada uno de estos tres leptones lleva asociado un neutrino diferente. Por eso los neutrinos tienen apellido: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico.

La existencia de los neutrinos fue postulada en los años 30 por Pauli para poder explicar la desintegración beta menos (proceso por el cual un neutrón se convierte en un protón):

    \mbox{n}\rightarrow \mbox{p}^++\mbox{e}^-+\bar{\nu}_{\mbox{e}} , o, en su correspondiente diagrama de Feynman:

Hacía falta una partícula para poder conservar la energía y la cantidad de movimiento. Una pequeña cantidad, tan pequeña que su idea quedó guardada en el cajón por ser incomprobable en aquel entonces. Hubo que esperar hasta la década de los 50 para que llegase el experimento del neutrino que posteriormente pudo llegar a observarse en las cámaras de burbujas.

Wikimedia Commons

Los neutrinos pueden “oscilar” entre las distintas familias de neutrinos de forma aleatoria pero se sabe que aproximadamente mantienen la proporción en las tres familias habiendo cantidades muy parecidas. Esto se descubrió a raíz del llamado problema de los neutrinos solares, en el que se vió que solo se detectaban 1/3 de los neutrinos esperados según los modelos de generación debido a la fusión nuclear. Inicialmente, se consideraba que la masa del neutrino debía ser 0 y por tanto viajarían a la velocidad de la luz. Sin embargo, ahora sabemos que con gran probabilidad los neutrinos tienen masa distinta de cero pero es muy muy pequeña, mucho menor que la del electrón por ejemplo.

Los detectores de neutrinos ayudan a mejorar los modelos estelares para comprender los procesos que tienen lugar en el interior del Sol. Pero además, el neutrino ha estado presente en la astrofísica durante mucho tiempo debido a la controversia que existió sobre si su masa pese a ser pequeña sería lo bastante importante como para que afectara de un modo u otro a la masa del universo, y ya sabemos que al universo le falta masa por todas partes, al menos, por lo que le parece a nuestros ojos. No obstante, se vió que aún teniendo una pequeña masa, esta cantidad no era lo bastante importante como para que la presencia de neutrinos alterara de forma significativa la cantidad de materia el universo y que desde luego no resolvía el problema planteado por la materia oscura.

Pero claro, al interaccionar débilmente es muy caro y complejo construir detectores de neutrinos. Cada segundo nos atraviesan cientos de miles de millones de neutrinos y ni nos enteramos. Se producen muy pocas interacciones.

Las primeras detecciones de neutrinos (bueno, en realidad, de antineutrinos) datan de 1956 en las cercanías a un reactor nuclear. Utilizando dos blancos que contenían cloruro de cadmio, en agua. Los antineutrinos con la energía suficiente podían inducir una corriente eléctrica debido a que interaccionaban con los protones, produciendo positrones y neutrones. Esta corriente es medible. Este tipo de detectores se llaman “scintillators” en inglés o “centelleadores” en español. Desde entonces se han ido repitiendo experimentos parecidos con tanques cada vez más grandes. Hoy en día, funciona el KamLAND en Japón. Se trata de una vasija esférica de 18 metros de diámetro rodeada por casi 2000 fotomultiplicadores que contiene en su interior otra de 13 metros de diámetro llena del líquido centelleador.

Otras posibles construcciones son como la del Ice Cube, que consiste en múltiples surcos de cientos de metros de profundidad en los que se introducen fotomultiplicadores a determinadas alturas, colgando como cuerdas dentro de cada uno de los surcos para así construir un enorme array con miles de fotomultiplicadores con la esperanza de que algunos de los neutrinos que atraviesen la Tierra exciten esos fotomultiplicadores. Se hace de este modo para poder librarse del “ruido” que introducirían partículas como los muones si se observara directamente. Los neutrinos en cambio atraviesan el planeta con facilidad, así que se esperan detectar unos 1000 eventos correspondientes a neutrinos de alta energía al día cuando funcione a pleno rendimiento.

Y bien, sobre la conferencia NEUTEL11 decir que lo más esperado este año era que el experimento XENON100 revelase lo que os comentaba al principio, pero eso parece que de momento tendrá que esperar. Con todo el lío de Fukushima no seguí las conferencias al día así que me queda mucho por leer aún, a ver si en unos días se publican los resultados esperados y redacto un post sobre el tema.

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  1. teguayco dice:

    Aunque a lo mejor no viene a cuento, también sería interesante destacar el experimento de rayos cósmicos Pierre Auger. Aunque no está específicamente diseñado para detectar neutrinos, hay grupos que estudian la posibilidad de detectar neutrinos cósmicos mediante este experimento. Y los neutrinos cósmicos molan XD