Física y Quimica

Premio Nobel de Física 2015

Premios Nobel

 

 

 

Fotos y esquemas: Fundación Nobel

Texto: adaptado y traducido de la Fundación Nobel

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  nobelprize.org

 

Premio Nobel de Física 2015

Takaaki Tajita (1959). Higashimatsuyama, Japón

Arthur B. McDonald (1943). Sydney, Canada

"Por el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, lo cual demuestra que tienen masa.".

Traducción del inglés  Documento Fundación Nobel traducido

Takaaki Kajita y Arthur B. MacDonald fueron científicos clave en dos importantes grupos de investigación ligados al Superkamionkade y el Sudbury Neutrino Observatory (SNO) donde se descubrió que los neutrinos podían sufrir una verdadera metamorfosis.

Resolvieron el llamado "problema de los neutrinos solares" y abrieron un nuevo campo en la física de partículas.

Desde la década de 1960, los científicos habían calculado teóricamente el número de neutrinos creados en las reacciones nucleares que hacen brillar el Sol, pero al contar los que llegaban a la Tierra faltaban hasta dos tercios de la cantidad calculada. ¿Dónde estaban? ¿Había algo incorrecto en los cálculos teóricos de cómo se producen los neutrinos en el Sol?

De acuerdo con el Modelo Estándar de la física de partículas hay tres tipos de neutrinos: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Cada uno van asociado a una partícula con carga: al electrón y a sus dos homólogos mucho más pesados y de vida corta, el muón y el tau.

El Sol solo produce neutrinos electrónicos.

Los neutrinos se presentan en tres identidades (o sabores) distintas: electrónico, muónico y tau.

En 1998 Takaaki Kajita presentó el descubrimiento de que los neutrinos parecen sufrir una metamorfosis: cambian de identidad durante su camino hacia el detector de Super-Kamiokande en Japón. Los neutrinos detectados en el Kamiokande son neutrinos muónicos que se crean en las reacciones entre los rayos cósmicos y la atmósfera de la Tierra.

Super-Kamiokande es un detector gigantesco construido 1000 metros bajo la superficie de la tierra. Consiste en un tanque, de 40 metros de altura y 40 m de anchura, lleno con 50 000 toneladas de agua. El agua es tan pura que los haces de luz pueden viajar 70 metros antes de que su intensidad se reduzca a la mitad, mientras que en una piscina ordinaria eso sucede al cabo de pocos metros. Más de 11 000 detectores de luz se sitúan en la parte superior del tanque, en sus laterales y en el fondo, con el fin de descubrir, ampliar y medir destellos de luz muy débiles en el agua ultra pura.

La gran mayoría de los neutrinos atraviesa el tanque sin dificultades, pero de vez en cuando, un neutrino choca con un núcleo atómico o un electrón del agua. En estas colisiones se crean partículas cargadas, muones, a partir de neutrinos mu. Alrededor de las partículas cargadas, se generan tenues destellos de luz azul. Es lo que se conoce con el nombre de radiación Cherenkov, que aparece cuando una partícula viaja más rápido que la velocidad de la luz en ese medio. Esto no está en contradicción con la teoría de Einstein de la relatividad, que afirma que nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío. La velocidad de la luz en el agua es un 75% de su velocidad en el vacío,  pudiendo ser "superada" por la de las partículas cargadas. La forma y la intensidad de la luz Cherenkov revela qué tipo de neutrino es el causante y de donde viene.

Super Kamionkande registra neutrinos muónicos provenientes de la atmósfera que llegan al detector directamente desde arriba, así como otros  que llegan al detector desde abajo después de haber atravesado todo el planeta. Debería de haber igual número de neutrinos procedentes de las dos direcciones; la Tierra no constituye ningún obstáculo considerable para ellos, pero los neutrinos muónicos que llegaban directamente al Super-Kamiokande procedentes de la atmósfera eran más numerosos que los que había sido registrados después de atravesar la Tierra.

Esto indica que los neutrinos muónicos cuyo viaje tenía una duración mayor (los que atravesaban el planeta) tenían tiempo suficiente para que su identidad cambiara, lo que no sucedía con los neutrinos procedentes de la atmósfera situada encima del detector, cuyo recorrido era de solo unas decenas de kilómetros. Para que el número de neutrinos procedentes de diferentes direcciones estuviera de acuerdo con las predicciones teóricas, los neutrinos muónicos deberían de haberse metamorfoseado en el tercer tipo, neutrinos tau, no detectables, ya que para producir una partícula tau (muy pesada) por colisión con un núcleo se necesita una gran energía.

Mientras tanto, en el otro lado del mundo, los científicos del Sudbury Neutrino Observatory (SNO) en Canadá, estaban estudiando neutrinos procedentes del Sol. En 2001, el grupo de investigación dirigido por Arthur B. McDonald demostró que esos neutrinos, también cambian  de identidad.

El observatorio de neutrinos de Sudbury detecta neutrinos procedentes del sol, donde se producen sólo neutrinos electrónicos. Las reacciones entre los neutrinos y el agua pesada del tanque permite detectar los neutrinos electrónicos y los tres tipos de neutrinos combinados. Se descubrió que el número de neutrinos electrónicos era menor de lo predicho. De los sesenta mil millones de neutrinos por centímetro cuadrado que cada segundo llegan a la tierra procedentes del Sol, el observatorio detectó unos tres diarios durante sus dos primeros años de operación. Esto se correspondía con solo un tercio del número esperado. Dos tercios habían desaparecido. Sin embargo, la suma, si se cuentan los tres tipos, se correspondía con el número esperado de neutrinos. La conclusión fue que los neutrinos electrónicos habían cambiado su identidad en el camino.

Ambos experimentos han llevado a un nuevo descubrimiento: las oscilaciones de  los neutrinos. Una conclusión de gran alcance derivada de estos experimentos es que el neutrino, durante mucho tiempo considerado como una partícula sin masa, tiene masa. Esto es de gran importancia para la física de partículas y para nuestra comprensión del universo.

Es necesario recurrir a la Física Cuántica para intentar dar una explicación a la oscilación de los neutrinos.

En el mundo cuántico, partícula y onda son aspectos diferentes de un mismo estado físico. Una partícula con cierta energía puede ser descrita como una onda con una frecuencia determinada. En física cuántica, el neutrino electrónico, múonico y el tau son descritos como estados superpuestos.

Cuando las ondas están en fase no es posible distinguir los diferentes estados del neutrino. Pero cuando los neutrinos viajan a través del espacio las ondas se desfasan. A lo largo del camino la superposición de los tres estados es diferente. La superposición en un lugar determinado nos da la probabilidad de qué tipo de neutrino puede encontrarse. Las probabilidades varían de un lugar a otro, oscilan, y los neutrinos aparecen en sus distintas identidades.

Este comportamiento peculiar es  debido a las diferencias en las masas de los diferentes neutrinos. Los experimentos indican que estas diferencias son muy pequeñas. También se estima que la masa de los neutrinos sea muy pequeña, aunque nunca se ha medido directamente. Sin embargo, puesto que los neutrinos existen en cantidades enormemente grandes en el universo, la suma de sus masas, aunque sea muy pequeña, se convierte en significativa. El peso total de los neutrinos se estima que pueda ser aproximadamente igual al peso de todas las estrellas visibles en el universo.

El descubrimiento de la masa del neutrino ha sido fundamental para la física de partículas. El Modelo Estándar de la materia  había resistido, durante veinte años, todos los desafíos experimentales. Sin embargo, el modelo predice que los neutrinos no tienen masa. Así, los experimentos han revelado la primera grieta en el modelo estándar, demostrando que el Modelo Estándar no puede ser la teoría última que explique el comportamiento de las partículas fundamentales.