Francis en LFDLC: Los neutrinos

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Ya puedes escuchar el Podcast de la entrevista que Jorge Onsulve ‏(@jonsulve) me ha realizado para el programa 86 de “La Fábrica de la Ciencia” titulado “El neutrino. Física de partículas.” Enlace en iVoox.

Como siempre una transcripción libre y algunos enlaces: Kate Scholberg (Duke University), “Neutrino Experiment Overview,” WIN 2015, Heidelberg, Germany, 08 Jun 2015 [slides PDF]; M. Hirsch, “Neutrinos – Theory,” WIN 2015, 08 Jun 2015 [slides PDF]; y en español Inés Gil Botella, “Los neutrinos,” Programa español para profesores, CERN, 21-26 junio 2015 [PDF transparencias].

¿Qué son los neutrinos? Los neutrinos, como los electrones, son leptones, pero no tienen carga eléctrica, son neutros, y su masa es extremadamente pequeña, tanto que todavía no hemos sido capaces de medirla. Los neutrinos son las partículas con masa más abundantes del universo. Hay unos 700 millones de neutrinos por cada protón. Los neutrinos son emitidos por las reacciones nucleares que sustentan la energía del Sol y en los reactores nucleares. Los neutrinos están asociados a la radiactividad de tipo beta (un neutrón de un núcleo se transforma en un protón con la emisión de un electrón y un antineutrino). Un plátano emite antineutrinos porque el 0,012% del potasio en esta fruta es potasio-40 (isótopo K-40) que es radiactivo beta. El Sol emite decenas de billones de neutrinos que atraviesan cada centímetro cuadrado de tu cuerpo cada segundo. Los neutrinos nos bombardean día y noche durante toda nuestra vida. Pero como nos atraviesan sin ser absorbidos, no nos afectan para nada, no sentimos absolutamente nada. La interacción del neutrino con las demás partículas conocidas es tan débil que conocer sus propiedades en detalle es casi imposible. El neutrino es la partícula conocida de la que menos cosas sabemos. La partícula más enigmática de todas.

¿Cuándo se descubrió el neutrino por primera vez? Las desintegraciones radiactivas de los núcleos de los átomos, que permite la transmutación de los elementos, son de tres tipos: la radioactividad alfa, que viene acompañada de la emisión de núcleos de helio 4 (formados por dos protones y dos neutrones), la radioactividad beta, que viene acompañada de la emisión de electrones (o sus antipartículas, los positrones), y la radioactividad gamma, la emisión de fotones de alta energía. A principios del siglo XX se observó que la energía del electrón emitido por radiación beta mostraba un espectro continuo, lo que parecía violar el principio de conservación de la energía. Pero a finales del año 1930, el físico teórico Wolfgang Pauli propuso que existía una partícula neutra similar al electrón pero de masa mucho más pequeña a la que llamó neutrón y que se emitía junto con el electrón. En febrero de 1932, James Chadwick descubrió en los núcleos de los átomos la partícula que hoy llamamos neutrón, pero su masa es un poco mayor que la del protón, y no puede ser la partícula predicha por Pauli. Por ello, Enrico Fermi decidió llamar a la partícula de Pauli con el nombre en diminutivo, neutrino. A finales de 1933, el matrimonio Joliot-Curie descubrió la radioactividad beta positiva (la emisión de un positrón en lugar de un electrón), con lo que Enrico Fermi desarrolló la teoría de la desintegración beta (interacción débil) usando la hipótesis del neutrino. Pero como la probabilidad de interacción entre los neutrinos y la materia es extremadamente pequeña, miles de millones de veces más pequeña que la de un electrón, parecía imposible que los neutrinos fueran observados.

Pero al final fueron observados, ¿cómo se logró observar los neutrinos por primera vez? La observación directa de los neutrinos parecía imposible, porque su interacción era demasiado débil. En 1945, la primera bomba atómica inspiró al físico Frederick Reines para situar un detector de neutrinos cerca de una bomba atómica, pero en 1952, tras conocer a su colega físico Clyde Cowan, acordaron usar un reactor nuclear civil. En 1956 cerca de la planta nuclear de Savannah River, en Carolina del Sur, observaron la primera señal clara de la existencia de los (anti)neutrinos. Usaron como blanco 400 litros de agua con cloruro de cadmio. El antineutrino interacciona con los protones del blanco dando lugar a un positrón y un neutrón, cuyas aniquilaciones están separadas unos 15 microsegundos, lo que identifica la interacción con el neutrino. Estos neutrinos son de tipo electrónico porque en el reactor nuclear se produce una desintegración beta que emite un electrón. Pero también hay desintegraciones beta que emiten muones y los correspondientes neutrinos muónicos.

¿Cuándo se observó por primera vez el neutrino muónico? Los neutrinos (leptones neutros) están asociados a los leptones cargados (electrones, muones y leptones tau); se dice que los neutrinos tienen tres “sabores” diferentes. Para observar los neutrinos muónicos se requiere más energía que la producida en reactores nucleares. La idea es bombardear un blanco con un haz de protones de alta energía y producir mesones (sobre todo piones y kaones) que se desintegren en muones y neutrinos muónicos. Leon Lederman (el autor del libro “La partícula divina”), Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron el neutrino muónico en 1962. El tercer y último sabor de los neutrinos, el tauónico, fue anunciado en el año 2000 gracias al experimento DONUT ((Direct Observation of theNU Tau) en el Fermilab, cerca de Chicago. El colisionador LEP (detectores ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL) en el CERN estudió la desintegración del bosón Z entre 1989 y 2001 y demostró que no existen nada más que 3 sabores de neutrinos (Nν = 2,984 ± 0,008) con masa inferior a la mitad de la masa del bosón Z (unos 45 GeV).

El fenómeno más característico de los neutrinos es la llamada oscilación de los neutrinos, ¿qué se entiende por este fenómeno? La física de los neutrinos es necesaria para entender el funcionamiento de las estrellas. Sin embargo, desde 1969, se sabe, gracias a un físico llamado Ray Davis, que no permite entender el comportamiento de los neutrinos solares salvo que, a diferencia de los electrones, los neutrinos tienen estados con masa diferentes de los estados con sabor. El Sol emite un 40% menos de neutrinos electrónicos que los predichos por el modelo solar estándar. Además, en los rayos cósmicos también se observa un déficit de neutrinos muónicos. La explicación teórica es de principios de los 1960, pero la evidencia experimental es de finales de los 1990. El experimento japonés SuperKamiokande demostró que los neutrinos oscilan, es decir, cambian de sabor. Los estados con sabor bien definido, electrónico, muónico y tauónico, difieren de los estados con masa bien definida, que son una mezcla de los tres sabores.

¿Dirac o Majorana? Las partículas sin masa tienen la llamada helicidad, la proyección de su espín en la dirección de su movimiento. La proyección del espín en la dirección de su movimiento se llama helicidad “derecha” y en la dirección contraria helicidad “izquierda”. Los neutrinos sin masa sólo tienen helicidad izquierda. Pero un neutrino con masa puede cambiar de helicidad en un sistema de referencia adecuado (a mayor velocidad que la de la partícula). Por tanto, tienen que existir neutrinos con la otra helicidad. En 1937, el físico italiano Ettore Majorana, desarrolló una teoría en la que el neutrino y el antineutrino son la misma partícula. Por tanto, un neutrino se puede aniquilar con un neutrino, la llamada desintegración beta doble sin neutrinos. Cuando un neutrón de un núcleo se desintegra emitiendo un antineutrino, al ser idéntico al neutrino, puede ser absorbido por un protón de mismo núcleo. Como resultado tenemos una desintegración radiactiva doble que emite un electrón y un positrón pero sin ningún neutrino. Los experimentos como NEXT, del español Juan José Gómez Cadenas, en Canfranc, Pirineos, están buscando este tipo de desintegración, aún sin éxito. Su experimento es uno de los más prometedores, pero siempre y cuando el neutrino sea una partícula de Majorana.

¿Podría ser el neutrino la partícula de materia oscura? No, porque sería materia oscura caliente. Partículas de baja masa que se mueven casi a la velocidad de la luz. Este tipo de materia oscura está descartada por los resultados cosmológicos.

Se dijo que los neutrinos eran superlumínicos, ¿qué sabemos sobre esto? Una propuesta de principios de los 1960 para entender ciertos resultados es que los neutrinos son taquiones. Tienen una masa imaginaria (su cuadrado es negativo) y son partículas taquiónicas. Pero según la teoría estos neutrinos superlumínicos son inestables.

¿Qué es la oscilación de los neutrinos? Sus estados con masa difieren de los estados con sabor. Los neutrinos se generan con sabor bien definido (electrónico, muónico y tau), pero con masa indeterminada. Y se propagan con masa bien determinada (estados m1, m2 y m3) y sabor mezclado. Hay tres ángulos que determinan el grado de mezcla de sabores en los estados con masa, llamados θ23 (neutrinos atmosféricos y haces de neutrinos en reactores), θ12 (neutrinos solares y reactores) y θ13. Para θ12 usamos neutrinos solares en modo desaparición (e →μ,τ) con SNO, KamLAND, Super-K. Recientemente, Borexino los midió con precisión. Futuro: SNO+, Hyper-K, JUNO, DUNE, etc. También podemos usar para θ23 los neutrinos atmosféricos, debidos a rayos cósmicos, … Experimentos de haces: K2K (KEK to Kamioka), MINOS(+), CNGS (CERN to LNGS), NOva (FNAL to Ash River), T2K (J-PARC to Kamioka). Futuro: LBNF/DUNE (FNAL to Homestake) y Hyper-K ( J-PARC to Kamioka) … Para θ13 experimentos con haces como K2K, MINOS, T2K, NOνA y con reactores como CHOOZ, Double Chooz, Daya Bay, y RENO.

¿Qué sabemos sobre la masa de los neutrinos? Por un lado su masa (la de sus tres estados mezcla, m1, m2 y m3), pues ahora mismo sólo conocemos el cuadrado de las dos diferencias entre masas (Δm12² = 10-5 eV^2 y Δm23² = Δm13² = 10-3 eV^2). Hay dos posibilidades para la jerarquía (orden) de estas masas: la normal es que dos neutrinos tienen masa pequeña (m1 y m2) y uno tiene masa grande (m3), y la invertida es que un neutrino tiene masa pequeña (m3) y dos neutrinos tienen masa grande (m2 y m1). No sabemos aún cuál es la jerarquía correcta. Por ahora sabemos por medidas cosmológicas que la masa es menor de unos 0,2 eV/c².

Más información en este blog: “El centro galáctico y los neutrinos ultraenergéticos de IceCube,” LCMF, 02 Dic 2014; “Big Bird (Paco Pico), el neutrino más energético observado por IceCube,” LCMF, 11 Abr 2014; “Epi y Blas (Ernie & Bert) los dos neutrinos UHE observados por IceCube,” LCMF, 17 May 2013; “Los neutrinos de IceCube llegan a portada en Science,” LCMF, 22 Nov 2013; “#ICHEP2014: Física de neutrinos,” LCMF, 03 Jul 2014; y muchas más.


12 Comentarios

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Amarashiki

Los neutrinos son, con mucho, mi partícula favorita del SM: desconocemos sus masas, si hay desintegración beta doble sin neutrino (i.e., si son Majorana particles), desconocemos si el origen de su masa es como la del resto o hay algún otro mecanismo como el seesaw (balancín) relacionado con una escala de nueva Física intermedia entre la electrodébil y la de Planck. Además, sólo pueden interactuar por 2 interacciones conocidas: gravitación e interacción débil (o electrodébil si nos ponemos “serios”)…Desconocemos aún qué cantidad exacta de neutrinos del SM hay en el Universo, aunque sabemos que no puede exceder cierta cota porque el Universo habría colapasado, desconocemos aún o no hemos encontrado a los neutrinos del fondo cósmico de neutrinos, o el rol de los llamados neutrinos cosmogénicos en el espectro de los rayos cósmics de ultraalta energía… Son tan misteriosos…Es imposible no amarlos…¿Alguien no ama a los neutrinos? Pensad que os atraviesan millones y millones cada segundo, y que en el curso de una vida humana abréis interactuado con una cantidad orden O(1) de neutrinos…Desde ese punto de vista son también “mortales”…

Amarashiki

De hecho, algo aún más “cool”…Si es escenario de bariogénesis desde leptogénesis es correcto, todos somos “polvo” (restos) de neutrinos pesados…Así que no hay nada más molón que un neutrino…Estamos aquí debido a ellos (y posiblemente a otras muchas otras ¿coincidencias y fortunas?)…

planck

Cierto, de hecho, estamos aquí debido a tantas coincidencias y ajustes que, en mi opinión, al final llegaremos a la conclusión inevitable de que vivimos en una clase de Multiverso. Las constantes fundamentales que medimos a baja energía son consecuencia de los detalles y contingencias de la Física del Universo temprano a altas energías. La masa del protón y del neutrón dependen de los detalles de la Física del Universo temprano, cualquier pequeña desviación hubiese producido un Universo sin estrellas, la cantidad de inflación debió ser la adecuada para producir que las fluctuaciones cúanticas primordiales dieran lugar a las galaxias, los detalles de las rupturas de simetría determinaron la Física que observamos hoy, la constante cosmológica que medimos hoy tiene un valor tan ridículo (pero tan necesario para nuestra existencia) que exige, en el Universo temprano un ajuste de decenas de órdenes de magnitud de los parámetros cosmológicos, podemos hacer consideraciones similares con todas las constantes fundamentales y leyes de la Física.
Todo esto, más la inflación que predice un multiverso inflacionario y las supercuerdas que predicen el “landscape” parecen llevarnos inexorablemente al Multiverso. Es cierto que el Multiverso nos deja una sensación “agridulce”: por un lado representa uno de los mayores cambios conceptuales de todos los tiempos y su descubrimiento sería el mayor hallazgo de la historia de la Física y la Cosmología pero por otro, su existencia, resta poder de predicción a la Física y al ser casi imposible de verificar nos pone al borde de su ámbito de aplicación. Sin embargo, ¿alguien cree que a la naturaleza le importa un pimiento nuestras “sensaciones agridulces”?

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

planck:

Nos vamos off topic pero el asunto “del multiverso” siempre enciende pasiones XD y vuestro último párrafo me hizo recordar algunas confusiones propias.

Yo no veo exactamente cuál es la relación entre el landscape de cuerdas y el multiverso inflacionario (por falta de conocimientos), es decir, pareciese que la gran evidencia en contra de cuerdas es el éxito del modelo cosmológico+inflación. Digo esto por el bien sabido problema que tiene la solución clásica de de sitter embebida en cuerdas de ser un vacío inestable (¿metaestable? ). La inflación es “antinatural” en cuerdas, ¿por qué sólo se inflan unas dimensiones y otras no?, ¿por qué un vacío tipo de sitter decae en uno tipo minkowski 10-dimensional?… vamos hasta en SUGRA es terriblemente difícil de encontrar los potenciales adecuados por su dependencia en el superpotencial y en el potencial de kahler lo que lleva a modelos híbridos

Por cierto… hace unos días Francis hablaba de la teoría de cuerdas heterótricas basadas en el grupo SO(16)XSO(16) sin supersimetría. ¿Esto “empeora el problema del landscape”?, es decir la teoría de Alvarez-Gaumé de la que hablaba Francis ¿”Añade más vacíos al landscape”?

planck

Hola Ramiro. Conozco este tema solo superficialmente, es cierto lo que dices, en principio la inflación, sobre todo para grandes valores de r, parece muy poco natural en cuerdas. Sin embargo, los altos valores de r ya están muy desfavorecidos por Planck. En principio, creo que la relación entre la inflación y el landscape de cuerdas se basa solamente en que el espacio metaestable de de-sitter provee un escenario inflacionario en el que el decaimiento del vacío produce la expansión de las burbujas inflacionarias. Parece que solo se expandirían las 3+1 dimensiones por razones topológicas (no me preguntes los detalles) mientras que las 6 dimensiones restantes formarían el landscape que proveerían (por el dichoso argumento antrópico) la cantidad correcta de inflación y de constante cosmológica. Puedes leer la pg11 de: arxiv.org/pdf/1203.0307v2.pdf
Como sabes supercuerdas provee varios escenarios inflacionarios como: arxiv.org/abs/hep-ph/9812483v1 o motls.blogspot.com.es/2014/03/axion-monodromy-inflation.html
aunque es cierto que no parecen muy naturales. En conclusión, si parece haber una semejanza entre la inflación, el landscape y el multiverso aunque es cierto que parece muy forzada (y si metemos el argumento antrópico ya ni te cuento…)

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

Planck:

Gracias por vuestro comentario. En especial la referencia al paper de Bousso me ha gustado mucho, me la estoy pasando muy bien leyéndolo.

A mi me parece sumamente curioso que sólo se inflen tres dimensiones espaciales en el escenario de cuerdas, pero como dije: si hay razones topológicas para que esto sea así las desconozco y me gustaría saber cuales son, pues a priori no creo que hasta el momento exista un requerimiento físico de porque tienen que ser exactamente tres. Con cuerdas el escenario inflacionario es mucho menos natural que en el modelo cosmológico de consenso.

Supongo que se podría justificar un poco el problema argumentando que la escala típica de energía en el periodo inflacionario es menor que la escala de energía de la cuerda, pues de hecho es correcto que la aproximación cuasi-clásica funciona muy bien cuando se estudian las perturbaciones primordiales … aunque de cualquier manera supergravedad tiene el mismo problema. Habrá que ver sigo pensando que la razón física de mayor peso para no confiar en cuerdas es el poco éxito que ha tenido en incorporar un modelo natural para inflación (y tal vez retrocediendo un poco más en el inicio: que yo sepa no hay una “regularización” adecuada de la singularidad inicial).

Amarashiki

O …¿Cómo es el espectro de neutrinos activos? ¿Normal tipo generaciones del SM, m(A)<m(B)<<m(C) o invertido tipo espectro atómico, m(A)<<m(B)<m(C)?¿Puede ser cuasidegenerado?

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

¿Puede comentar un poco más al respecto sobre esto?

¿Por qué es importante esta pregunta?. Perdone la ignorancia :(

Amarashiki

Que el espectro sea norma o invertido importa porque:

1) Afecta al signo de la diferencia de masas de las especies de neutrinos, y esto afecta, curiosamente, a cómo tiene lugar la desintegración beta doble sin neutrinos. Esencialmente, y sin entrar en detalles, un espectro de neutrinos invertido hace que la desintegración beta doble del neutrino sea más “grande”. De hecho, si el espectro de neutrinos fuera invertido debe verse la desintegración beta doble sin neutrinos en la próxima generación de experimentos de este rarísimo tipo de sucesos (si el neutrino es Majorana, claro, si es Dirac o pseudoDirac, no se verá nunca).

2) Afecta a los modelos GUT y también a los modelos supersimétricos, junto a los modelos tipo seesaw tener un tipo de espectro u otro, y asimismo, esto afecta a las oscilaciones de los neutrinos…

3) Importa en Cosmología…Que el espectro sea de una u otra forma afecta a la manera en que tuvo lugar la leptogénesis…Posiblemente a la bariogénesis, y en última instancia, puede afectar al modo en que la interacción débil influyó en los primeros compases del Universo a diferenciar “derecha e izquierda”…Y materia y antimateria…

Todo esto se vería aún más complicado y afectado si hay neutrinos estériles que complican el análisis del espectro de neutrinos…La detección de un neutrino estéril bien como BSM y hot dark matter si es light y/o como superpesado y cold dark matter, daría nuevo impulso al amanecer de la astrofísica y astronomía/cosmología de neutrinos, que aún tiene pendiente encontrar el Cosmic Neutrino Background…1.945 K ¿Más para convertir al fantasmagórico neutrino en el “rey” del SM y de BSM physics?

Santiago BaleaSantiago Balea

Ola, viene genial este artículo, toda una clase con apuntes.
Reconozco que necesito tiempo para asimilarlo (la mula Santi?), pero resulta un ejercicio mental estimulante.

Saludos!

Álvaro Peralta (@ribap)Álvaro Peralta (@ribap)

Hola Francis!

me ha gustad mucho la entrevista sobre los neutrinos. Como bien dices es uno de los campos más excitantes de la Física hoy en día, ya que quizás las respuestas de las preguntas más importantes de la Física de Partículas pasen por entender mejor la Física de neutrinos. Además ultimamente en el campo, o al menos por parte de algunos investigadores del campo como Gómez Cadenas, se está manteniendo una actitud “más multidisciplinar” buscando ayuda en otras tecnologías como los láseres para sus experimentos.

Por ejemplo en el caso de la naturaleza de los neutrinos, y concretamente el experimento NEXT, se está, estamos de hecho porque yo y mi centro estamos colaborando con ello, investigando el uso de láseres para conseguir experimentos “background free”. La cosa es complicada pero bajo mi punto de vista no imposible.

Sobre la otra gran incógnita, la jerarquía de masas de los neutrinos, es importante resaltar los experimentos y teoría de un grupo de la Universidad de Okayama que pretende investigar esta cuestión con “tabletop experiments” utilizando conceptos de Mecánica Cuántica como el entrelazamiento de sistemas. La idea a grandes rasgos es balancear la baja “cross section” de los experimentos de Física de Partículas con efectos Mecánico Cuánticos. El asunto no es para nada sencillo y va a costar mucho esfuerzo que los experimentos salgan adelante. Aunque por otro lado no hay una limitación física que lo impida. Tuve la suerte de visitarlos hace cosa de un mes y comprobar in situ sus ideas.

En este paper tienen un review (un poco oscuro por otro lado) sobre el estado de sus trabajos. Si todo va bien en breve publicaremos un artículo proponiendo un setup alternativo de los láseres al que ellos usan que resulta más efectivo #autobombo 😉

http://arxiv.org/abs/1211.4904

Si tengo un rato esta semana me pongo con un post que explique el uso de los láseres tanto en NEXT como en el experimento de los japoneses.

Un abrazo!

Álvaro

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