Neutrino electrónico de ParticleZoo
Durante la década de 1920 la física vivía
años dorados: Hubble descubrió que nuestra galaxia era sólo una de
miles, se descubrió la expansión del universo, la teoría de la
relatividad era verificada experimentalmente, y grandes genios del siglo
XX incluyendo a Bohr, Born, Heisenberg, Schrödinger, Dirac y Planck
develaron uno de los grandes misterios de la naturaleza desarrollando
la física cuántica. Experimentos alrededor del mundo confirmaban uno
tras otro cómo esta nueva y extraña descripción del mundo subatómico
funcionaba a la perfección.
Sin embargo, a fines de esa década la física
de partículas todavía en pañales enfrentaba una importante crisis. La
radioactividad ya tenía un par de décadas y su descubrimiento le había
significado el Premio Nobel a Henry Becquerel, Pierre y Marie Curie en 1903, sin embargo había un detalle que tenía a los teóricos de la época sin dormir tranquilos. El llamado decaimiento beta
ocurre cuando un núcleo atómico espontáneamente se transforma en otro
emitiendo un electrón. Los físicos notaron que el nuevo núcleo atómico
tenía un protón más que el original por lo que la carga eléctrica se
conserva (protón y electrón tienen cargas de igual magnitud pero signo
opuesto). Esto es muy importante ya que las leyes de la física funcionan
en base a principios de conservación. Otra cantidad importante que debe
conservarse es la energía. Todos hemos aprendido desde niños que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Y justamente aquí estaba el problema con el decaimiento beta, ya que
los cálculos mostraban que si la energía se conserva entonces el
electrón siempre sería emitido con la misma energía
;
sin embargo todos los experimentos mostraban que al decaer el núcleo
atómico, el electrón salía emitido con cualquier valor entre cero y
.
Tanto era desconcierto de los teóricos que el mismo Niels Bohr
consideró que sería necesario abandonar el principio de conservación de
la energía.
El nacimiento del neutrino
Desde siempre, las conferencias de física han servido no sólo como
una reunión para debatir acerca de recientes descubrimientos y
resultados sino que principalmente para discutir nuevas ideas (esto en
realidad justamente por eso vamos a conferencias). Así ocurrían las
famosas discusiones entre Einstein y Bohr sobre física cuántica durante
las Conferencias Solvay, cuya versión en 1927 permitió reunir a las
lumbreras de la física teórica y experimental de la época en esta famosa
imagen:
Cuarto de derecha a izquierda de pie aparece Wolfgang Pauli,
distraído junto a Werner Heisenberg, parece estar enfocado en uno de
sus rivales públicos Paul Ehrenfest (tercero de izquierda a derecha),
con quien protagonizaron varias peleas verbales públicas. Era sabido que
uno asistía a las charlas del otro sólo para fastidiarlo.
Pauli tenía 30 años en 1930 cuando no pudo asistir a una conferencia en
Tubingen (Alemania) en la que se debatiría el problema del decaimiento
beta.
Pauli celebra su 45° cumpleaños en medio de una charla en Princeton (1945)
Pauli tuvo una idea que resolvería el
problema y salvaría al principio de conservación de la energía de una
forma elegante pero radical. Pauli propuso que en el decaimiento beta de
un núcleo atómico no sólo se crea un protón y un electrón, sino que
también se emitiría una tercera partícula que compartiría su energía con
el electrón, de esta manera el electrón sería emitido a veces con mucha
energía, otras veces con poca energía. Con esta hipotética partícula
Pauli reconciliaría la teoría con los experimentos. Dado que la carga
eléctrica ya era conservada, esta nueva partícula debería ser neutra por
lo que Pauli la bautizó como “neutrón” (aunque lo que hoy llamamos neutrón fue descubierto en 1932 y no es el “neutrón de Pauli”). Como no pudo asistir a la conferencia, Pauli escribió el 4 de diciembre de 1930 una de las más famosas cartas en la historia de la física, dirigida a los participantes de la conferencia.
“Estimados y radiactivos damas y caballeros…” escribió, agregando un toque de humor a esta informal manera de expresar una nueva y genial idea. “He
encontrado una medida desesperada para salvar la ley de conservación de
la energía suponiendo que en el núcleo existen partículas sin carga
eléctrica a los que llamaré neutrones. Las observaciones del decaimiento
beta tienen sentido si además del electrón, un neutrón es emitido de
tal manera que la suma de sus energías es constante” (
).
Es interesante ver cómo una idea que salvó uno de los principios
fundamentales de la física nunca fue publicado. Pauli explica que “por
ahora no me atrevo a publicar los detalles de esta idea, les confío a
ustedes mi querida gente radiactiva la pregunta de cuán probable sería
encontrar evidencia experimental de tal neutrón”. Con estas
palabras Pauli literalmente inventó una nueva partícula como una medida
desesperada a la posibilidad de abandonar un principio tan fundamental
(conservación de la energía). Pauli incluye en su carta detalles sobre
las propiedad que “su neutrón” debería tener y concluye diciendo “Debo
admitir que mi solución puede parecer casi imposible ya que si
existiera ya deberíamos haber visto estos neutrones. Pero si no nos
arriesgamos no avanzaremos. Querida gente radiactiva, examinen y
juzguen”.
“Certificado de nacimiento del neutrino”: Carta de Pauli a los participantes en la conferencia en Tubigen
En 1934, otro de los grandes físicos de la época, el italiano Enrico Fermi, postuló una teoría completa sobre los decaimientos radiactivos que hoy conocemos como interacción débil. Fermi incorporó la idea de Pauli en su teoría, sin embargo en 1932 James Chadwick había descubierto el neutrón, por lo que el “neutrón de Pauli” (todavía hipotético) necesitaba otro nombre. Según los cálculos de Pauli, “su neutrón”
debería tener una masa una 100 veces menor a la de un protón, dado que
el neutrón descubierto por Chadwick era un poco más pesado que el protón
Fermi exclamó “este neutrón es muy pesado, el neutrón de Pauli es más liviano, más pequeño, debereríamos llamarle el pequeño neutro”. Así es como el neutrón de Pauli pasó a llamarse neutrino, que en italiano significa “el pequeño neutro”.
Búsqueda del neutrino
Cowan y Reines con su detector de neutrinos
Los años pasaban y no aparecía evidencia del neutrino. Pauli llegó a expresar “he hecho algo terrible, algo que ningún teórico debería hacer: he inventado una partícula que no puede ser observada”.
Sin embargo los físicos experimentales son muy ingeniosos y basados en
la teoría de Fermi sabían que grandes cantidades de neutrinos serían
creados en reacciones nucleares. El Sol produciría neutrinos en grandes
cantidades pero debido a la gran distancia sería muy difícil
detectarlos. En 1945 Frederick Reines trabajaba bajo la supervisión de Richard Feynman en Los Alamos como parte del Proyecto Manhattan,
el cual concluye con la creación de la primera bomba nuclear. Más que
una terrible arma, Reines vio una copiosa fuente de neutrinos en la
Tierra. Durante la guerra fría las dos potencias nucleares testeaban sus
armas y Reines planeaba instalar un detector de neutrinos para intentar
probar su existencia, sin embargo el detector debía estar tan cerca que
la explosión destruiría el detector. En 1952 Reines junto a Clyde Cowan
deciden usar una “fuente pacífica de neutrinos” por lo que instalan su
detector junto a un reactor nuclear en Hanford, en el estado de
Washington. La teoría de Fermi también mostraba lo difícil que sería
detectar un neutrino ya que rara vez interactúan con la materia.
Usualmente se dice que “atrapar un neutrino es como intentar atrapar una bala con una malla para mariposas”.
Esta propiedad fantasmal del neutrino de casi no interactuar la
convierte en una partícula muy elusiva. Reines y Cowan denominaron a su
búsqueda del neutrino “proyecto Polstergeist”. Luego de meses
recolectando datos deciden instalar su detector en una planta nuclear
con mayor potencia, esta vez en Savannah River en Carolina del Sur.
Mejorando sus mediciones, en 1956 luego de más de dos décadas como una
partícula hipotética, Reines y Cowan demuestran que la “solución desesperada” de Pauli es la correcta y que el neutrino existe. El 15 de junio de 1956 Reines y Cowan le enviaron un telegrama a Pauli contándole la noticia. Reines recibió el Premio Nobel en 1995 por este decubrimiento (Cowan murió en 1974).
Luego de la confirmación de la existencia del neutrino, la siguiente
meta fue detectar los neutrinos emitidos por el Sol así como los
generados en la atmósfera por la colisión de rayos cósmicos con
moléculas de aire. Esta nueva carrera causó nuevos misterios llamados
“el problema de los neutrinos solares” y “el problema de los neutrinos
atmosféricos”, lo que da para un post completo que espero publicar en el
futuro.
En 1962 Leon Lederman (famoso por titular “La Partícula de Dios” a su libro sobre el bosón de Higgs),
Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron que no sólo el neutrino
es una partícula real, sino que hay dos tipos de neutrinos, lo que les
dio el Premio Nobel en 1988. Recién en el año 2000 se confirmó que existe un tercer tipo de neutrino.
Neutrinos hoy
Hay muchas historias para contar sobre estos “pequeños neutros”, sin
embargo en 2011 los neutrinos acapararon la atención de todo el mundo
cuando el experimento OPERA anunció que sus neutrinos parecían viajar más rápido que la luz.
Fue genial ver cómo los neutrinos se convertían en la partícula de
moda, destronando al Higgs por unas semanas. Lamentablemente todo fue un error en la medición. Durante 2012 el Higgs ha recuperado su lugar en los medios, y todo parece indicar que podemos decir que el Higgs ha sido descubierto.
Hay mucho que no sabemos sobre los neutrinos lo que gatilla el interés
en estudiarlos. Sin embargo existe otra razón más profunda: los
neutrinos podrían responder la pregunta “¿por qué existimos?” ya que sus
propiedades podrían haber permitido que hubiese más materia que
antimateria luego del Big Bang lo que llevaría a la formación del
univero en el que vivimos. Hay muchos otros motivos por los cuales
estudiar a estos pequeñines (como se refirió a ellos Lederman en una conversación que tuvimos en 2011).
Personalmente les he dedicado sólo los últimos 6 años de mi vida, pero
espero seguir estudiándolos, una copia de la carta de Pauli adorna mi
oficina como el “certificado de nacimiento” de mi partícula favorita. En
mi investigación los uso como herramientas para comprender ciertas
propiedades de la naturaleza ya que al ser tan pequeños son sensibles a
los más pequeños defectos que el espaciotiempo pudiese manifestar
(espero en el futuro contar más detalles).
Los neutrinos pudieron originar el universo en el que vivimos, son
fantasmales, 65 mil millones de neutrinos provenientes del Sol
atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo cada segundo,
llegan desde el cielo en el día y atraviesan la Tierra para aparecer
desde el suelo en la noche, como una vez escribí estos pequeños neutros
pueden ser bastante tenebrosos: “los neutrinos son partículas
fantasmales observadas por primera vez gracias al proyecto Poltergeist,
que durante la noche aparecen por debajo de tu cama”.
Fuente:
Conexión Causal