Premio Nobel de Física 2015: Kajita (SuperKamiokande) y McDonald (SNO) por la oscilación de los neutrinos

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La física de partículas vuelve a recibir un Premio Nobel de Física. El japonés Takaaki Kajita (Super-Kamiokande, Super-Kamioka Nucleon Decay Experiment) y el canadiense Arthur B. McDonald (SNO, Sudbury Neutrino Observatory) son galardonados por el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos que mostraron que los neutrinos tienen masa. Un premio cantado en varios ocasiones en la última década que muchos han interpretado como la primera señal de física más allá del modelo estándar de las partículas (que en su versión original suponía que los neutrinos no tenían masa).

Todavía no sabemos cómo incorporar la masa de los neutrinos en el modelo estándar. No sabemos si son fermiones de Dirac (en cuyo caso existen neutrinos de quiralidad derecha y gran masa aún no observados), o si son fermiones de Majorana (en cuyo caso los neutrinos y los antineutrinos son partículas idénticas). Tampoco conocemos el mecanismo exacto por el que los neutrinos adquieren masa, es decir, la relación de los neutrinos con el campo de Higgs.

Hay muchas cosas que desconocemos de los neutrinos, nuestra mejor puerta hacia la física más allá del modelo estándar. Sin embargo, sabemos con absoluta seguridad que hay estados con masa para los neutrinos, y lo sabemos gracias a Kajita y McDonald, Premio Nobel de Física 2015. Más información en el Comunicado de Prensa, la Información Oficial Divulgativa, y la Información Oficial Avanzada.

[PS] Recomiendo leer a Enrique Borja, “Un Nobel débil y oscilante,” Cuentos Cuánticos 06 Oct 2015, a Jorge Díaz, “Premio Nobel de Física 2015: oscilación de neutrinos,” Conexión Causal 06 Oct 2015, y a a Juan José Gómez Cadenas, “Los neutrinos y la primera batalla en la historia del Universo,” Opinión, El Mundo, 07 Oct 2015.

En medios recomiendo leer Nuño Domínguez, “Nobel para los cazadores de neutrinos,” Materia, El País, 06 Oct 2015; Antonio Martínez Ron, “Nobel de Física 2015 por descubrir la oscilación y masa de los neutrinos,” Next, Voz Pópuli, 06 Oct 2015; “Nobel de Física 2015 para los científicos que resolvieron el misterio de los neutrinos,” Agencia SINC, 06 Oct 2015; Teresa Guerrero, “Nobel de Física para dos pioneros en el estudio de los neutrinos, las partículas elementales más escurridizas,” Ciencia, El Mundo, 06 Oct 2015; y muchos más.

[PS] 31 Oct 2015: Una buena y breve introducción a la historia de los neutrinos y su oscilación en Glen Mark Martin, “A Nobel for the Study of Nature’s Poltergeists,” Whiskey…Tango…Foxtrot?, 11 Oct 2015.

Dibujo20151006 standard model - physik uzh ch

En 1998, Takaaki Kajita presentó el descubrimiento experimental en el detector de neutrinos japonés Super-Kamiokande de la oscilación de los neutrinos atmosféricos (resultado de la colisión de rayos cósmicos con las moléculas de la atmósfera). En 2001, Arthur B. McDonald confirmó dicho fenómeno en el Observatorio de Neutrinos Sudbury (SNO) en Canadá para los neutrinos solares. La combinación de ambos resultados se considera la prueba definitiva de la oscilación de los neutrinos.

La existencia del neutrino fue propuesta por el físico teórico austriaco Wolfgang Pauli (Premio Nobel de Física en 1945) para explicar el espectro de energía de los electrones en la desintegración radiactiva beta. El físico italiano Enrico Fermi (Premio Nobel de Física en 1938) desarrolló una teoría (efectiva) de la desintegración beta que daba cuenta de la física de estas partículas a las que llamó neutrinos. Usando el flujo de neutrinos en un reactor nuclear dos físicos estadounidenses descubrieron esta partícula en 1956, Frederick Reines (Premio Nobel de Fïsica en 1995) y Clyde Cowan (que debería haber recibido el galardón a título póstumo*).

Dibujo20151006 neutrino oscillation - mass hierarchy - nova-st

Se conocen tres tipos o familias de neutrinos, los electrónicos, muónicos y tauónicos asociados a cada uno de los leptones cargados, el electrón, el muón y el leptón tau. Estos tres tipos de neutrinos se suelen llamar sabores. Cuando se produce un neutrino o cuando se detecta, siempre aparece como uno de estos tres tipos. Sin embargo, la física cuántica permite que durante la propagación de un neutrino su identidad se comporte de forma cuántica y sus sabores se mezclen; en dicho caso, los estados mezclados deben tener masa. Estos estados con masa bien definida se llaman neutrino 1, neutrino 2 y neutrino 3, y corresponden a tres mezclas cuánticas diferentes de los tres sabores de neutrinos.

Me gustaría destacar este punto, pues es una confusión muy generalizada. Los neutrinos electrónicos, muónicos y tautónicos no tienen una masa bien definida. No se puede hablar de la masa de los neutrinos electrónicos. Igual que con la dualidad onda-partícula, estos neutrinos tienen sabor bien definido, pero no tienen masa bien definida (hay una especie de dualidad masa-sabor). Los neutrinos que tienen masa son los neutrinos propagantes mezclados, los neutrinos 1, 2 y 3, que corresponden a mezclas de los tres sabores. Estos neutrinos propagantes tienen masa bien definida, pero no tienen sabor bien definido, por eso su identidad oscila.

Dibujo20151006 Super-Kamiokande detects atmospheric neutrinos - takaaki kajita - nobel prize physics 2015

El detector de neutrinos Super-Kamiokande empezó a tomar datos en 1996. Está situado en una mina de zinc de Kamioka, a unos 250 kilómetros al noroeste de Tokio. Super-Kamiokande es un detector gigantesco situado a un kilómetro bajo una montaña que consiste en un tanque de agua de 40 metros de alto y 40 metros de diámetro. Contiene unas 50 mil toneladas de agua ultrapura, tan pura que un rayo de luz tiene que atravesarla durante unos 70 metros para perder la mitad de su intensidad (en una piscina bastan unos pocos metros). En las paredes del recipiente cilíndrico se encuentran 11.000 fotomultiplicadores que detectan la luz de Cherenkov emitida por los muones de alta energía que atraviesan el tanque de agua a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el agua (un 75% de la velocidad de luz en el vacío); estos muones son emitidos por núcleos atómicos con los que interaccionan los neutrinos muónicos.

Super-Kamiokande observó unas 5000 señales de neutrinos muónicos atmosféricos. Por pura estadística se esperaba recibir el mismo número de neutrinos por arriba (que atraviesan una montaña y recorren unos 12 km) y por debajo (que atraviesan el diámetro completo de la Tierra y recorren unos 12.000 km); la razón es sencilla, para los neutrinos la Tierra es transparente. Sin embargo, para sorpresa de muchos, se observaron menos neutrinos atmosféricos por abajo (en dirección hacia arriba) que por arriba (en dirección hacia abajo). La razón es que los neutrinos cambiaron de identidad mientras atravesaban la Tierra, es decir, el fenómeno de la oscilación de los neutrinos.

Dibujo20151006 Sudbury Neutrino Observatory SNO detects neutrinos from the Sun - arthur mcdonald - nobel prize physics 2015 Por otro lado, el SNO (Sudbury Neutrino Observatory) se encuentra en una mina de níquel en Ontario y empezó a operar en 1999. Su objetivo es estudiar los neutrinos electrónicos procedentes de Sol. El observatorio SNO es una esfera de 18 metros de diámetro rellena con mil toneladas de agua pesada (los núcleos de los átomos de hidrógeno del agua son núcleos de deuterio con un protón y un neutrón). En la superficie de la esfera hay 9500 fotomultiplicadores que detectan la radiación Cherenkov de los electrones y neutrones emitidos cuando un neutrino electrónico choca con los núcleos de deuterio (deuterones).

El interior del Sol puede producir neutrinos electrónicos que recorren una distancia de unos 150 millones de kilómetros hasta llegar a la Tierra. Unos 60 mil millones de neutrinos solares por segundo atraviesan cada centímetro de la Tierra (y de tu cuerpo). Durante sus dos primeros años de operación SNO observó tres neutrinos solares por día, cuando los modelos teóricos esperaban unos nueve. La desaparición de dos tercios de los neutrinos solares durante su trayecto se debe a que han oscilado a neutrinos muónicos y neutrinos tau que SNO no puede detectar.

Dibujo20151006 neutrino oscillation

Las colaboraciones Super-Kamiokande y SNO descubrieron que los neutrinos oscilan y, por tanto, tienen masa. La probabilidad detectar un neutrino con un tipo determinado depende de su masa (de si es un neutrino tipo 1, 2 o 3). Este fenómeno se ha verificado en casi todos los detectores de neutrinos actuales y está fuera de toda duda. Gracias a ello Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald han recibido el más deseado de todos los galardones, el Premio Nobel de Física.

La física de los neutrinos, sin lugar a dudas, dará lugar a muchos otros premios Nobel de Física. Hay tantas propiedades de los neutrinos que aún desconocemos que conforme se vayan desvelando los premios irán cayendo.

(*) Lo sé, lo sé, los estatutos del Premio Nobel desde la reforma de 1974 no permiten la concesión a título póstumo. Por lo tanto Cowan no lo podía recibir. Por supuesto, igual que ocurrió con Robert Brout en el Nobel de Física de 2013, tanto el comité Nobel como el galardonado recordaron su importante papel. Pero, bueno, quería destacar que Cowan es otro caso similar a Brout.


16 Comentarios

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oscaroscar

Gracias por el articulo en partícular y en general por vuestra labor divulgativa, es un soplo de aire fresco en los tiempos que corren.
No soy físico, por lo que puedo haber entendido algo mal, si es así me disculpas.
Al leer el articulo, he entendido que los neutrinos no definidos adquieren masa al atravesar el “espacio” que nos separa del sol; la velocidad de los neutrinos es la de la velocidad de la luz no?. Es posible que una particula con masa se mueva a la velocidad de la luz? o es precisamente esa variación de velocidad a lo que se refiere la oscilación?.
Gracias

JavierJavier

Como tienen masa no pueden viajar a la velocidad de la luz. La oscilación se refiere a otra cosa: es un cambio en una propiedad llamada sabor. Por poner un símil, es como si estuvieses jugando al billar, golpeases la bola blanca y a medida que avanzara ésta se volviera negra (pasando por toda la gama de grises) y luego volviera a ser blanca y luego negra… El color en este caso sería el análogo al sabor.

JavierJavier

Lo de “pasando por toda la gama de grises” habría que explicarlo mejor en términos de probabilidades de detección, pero lo dejamos ahí.

Francisco R. Villatoro

Oscar, los neutrinos tienen masa luego no se mueven a la velocidad de la luz, pero casi (pues su masa es muy pequeña, menos de dos millones de veces más pequeña que la del electrón, y además hay neutrinos muy energéticos, desde MeV hasta PeV).

La oscilación depende de la diferencia de masas al cuadrado (Delta_m^2 = m_1^2 – m_2^2, y similares), luego solo puede ocurrir si los estados de los neutrinos con masa bien definida son diferentes de los estados de los neutrinos con sabor bien definido. Un neutrino masivo (cuyo sabor oscila) se mueve a una velocidad constante que depende de su energía (y de su masa), pero no cambia ni de velocidad ni de energía cuando oscila.

VíctorVíctor

“[el neutrino] no cambia ni de velocidad ni de energía cuando oscila”.

Siendo esto así como dices, Francis, entiendo que la oscilación no se produce por una variación intrínseca del propio neutrino (por cuanto se ser así, habría necesariamente una merma proporcional a la energía “gastada” en la misma oscilación), sino externa a éste. ¿Y cuál sería entonces este campo?

Saludos

Francisco R. Villatoro

Víctor, ¿qué diferencia un neutrino de un tipo y un neutrino de otro tipo? Pues se diferencian en cómo se acoplan (interaccionan) con las componentes quirales izquierdas de los leptones a través de los bosones W. Los neutrinos masivos son excitaciones localizadas de los tres campos neutrínicos (uno por cada tipo); sólo se observa el tipo concreto cuando se estudia su interacción con los bosones W.

Luego lo que comentas es justo al revés. No existe un campo responsable de la oscilación de los neutrinos. Lo que existe es un campo responsable de que los observemos y los produzcamos con un tipo u otro tipo, el campo de los bosones W (y de los bosones Z en la producción de pares neutrino-antineutrino).

No sé si me he explicado bien. La idea es muy sencilla si lo piensas bien.

Francisco R. Villatoro

Oscar, los neutrinos tienen masa luego no se mueven a la velocidad de la luz, pero casi (pues su masa es muy pequeña, menos de dos millones de veces más pequeña que la del electrón, y además hay neutrinos muy energéticos, desde MeV hasta PeV).

La oscilación depende de la diferencia de masas al cuadrado (Delta_m^2 = m_1^2 – m_2^2, y similares), luego solo puede ocurrir si los estados de los neutrinos con masa bien definida son diferentes de los estados de los neutrinos con sabor bien definido. Un neutrino masivo (cuyo sabor oscila) se mueve a una velocidad constante que depende de su energía (y de su masa), pero no cambia ni de velocidad ni de energía cuando oscila.

AlbertAlbert

Si no estoy equivocado, se demostró a partir de la teoría que si existía oscilación de neutrinos ello implicaba que debería existir diferencia de masa entre ellos.
Como se ha detectado la oscilación, es que la diferencia de masa existe. Si la diferencia de masa existe ello implica que las masas de los neutrinos individuales no pueden ser cero.
Si la masa del neutrino no es cero, ello implica que no puede ir a la velocidad de la luz, porque ninguna partícula con masa puede ir a la velocidad de la luz.
A lo que se refiere la “oscilación” es que un neutrino generado , por ejemplo electrónico, puede ser detectado después de un tiempo de viaje como neutrino muónico o neutrino tau.

AlbertAlbert

El comentario anterior era de respuesta a Oscar, no se porqué ha saltado, porque yo creo que le he dado al “reponder” ¿Tal vez ha “saltado” porque Javier y yo respondíamos a la vez?

Francisco R. Villatoro

Albert, la oscilación de los neutrinos requiere que al menos dos (estados de) neutrinos tengan masa (nu_2 y nu_3), pero podría haber uno de ellos sin masa (nu_1), aunque la mayoría de los físicos creen que los tres deben tener masa (nu_1, nu_2 y nu_3).

La oscilación fue predicha por Bruno Pontecorvo (c. 1968) para explicar el problema de los neutrinos solares (cuando solo se conocían dos sabores de neutrinos).

jfcejfce

En la última figura: ¿qué significa la probabilidad de que un neutrino electrónico se transforme en un neutrino electrónico? ¿No son idénticos?

Francisco R. Villatoro

JFCE el neutrino de la figura nace como electrónico y lo que muestra el valor P(nu_e -> nu_e) es la probabilidad de ser observado como electrónico, probabilidad que cambia con la distancia recorrida (normalizada por la energía). Durante su propagación hay una probabilidad no nula de que sea observado como muónico P(nu_e -> nu_mu) o como tau P(nu_e -> nu_tau), pero también como electrónico P(nu_e -> nu_e). Eso es lo que ilustra la figura.

Roger BalsachRoger Balsach

“Sin embargo, para sorpresa de muchos, se observaron menos neutrinos [muónicos] atmosféricos por arriba que por abajo. La razón es que los neutrinos cambiaron de identidad mientras atravesaban la Tierra, es decir, el fenómeno de la oscilación de los neutrinos.”

No entiendo bien esta frase, si los neutrinos atmosféricos “por abajo” cambian de sabor al atravesar la tierra y los neutrinos “por arriba” no tienen tiempo de sufrir este cambio, ¿por que se detectan más neutrinos por abajo que por arriba?

Alguien podria aclararmelo?
Gracias

Francisco R. Villatoro

Roger, gracias por estar atento, tienes toda la razón, está al revés. Debía decir: “Se observaron menos neutrinos muónicos en la dirección hacia arriba que en la dirección abajo.”

AntonioAntonio

Oscilación del neutrino implica crear energía de la nada, ¿es posible?:
En el Sol: Protón+electrón –) neutrón + neutrino electrónico
Este neutrino electrónico puede reaccionar con un neutrón y dar la reacción inversa:
neutrino electrónico + neutrón —) Prótón + electrón
Pero si fuera cierto que oscila:
El neutrino electrónico se puede cambiar a muónico y:
neutrino muónico+ neutrón —–) Protón+muón
Y como el muón es más pesado que el electrón, se ha creado energía de la nada, ¿es posible?

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