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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.".
Documento
Fundación Nobel traducido
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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.
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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.
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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. |
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