Reseña: “Los neutrinos” de Juan Antonio Caballero

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“El neutrino nos ayuda a entender cómo funciona el Sol, cómo se produce una supernova, [cómo] explorar los confines del universo con el telescopio más potente jamás imaginado, el telescopio de neutrinos. No deja de ser paradójico que [estos] sigan ‘ocultándonos’ su naturaleza más íntima: ¿qué masa tienen? ¿Neutrino y antineutrino son la misma partícula? Han pasado más de ochenta años. Aún transcurrirán algunos (o muchos) más en los que el neutrino seguirá sorprendiéndonos y, sobre todo, desafiándonos”.

Hay dos maneras de divulgar el desarrollo de la física. Por un lado, usar como guía la historia de las teorías, mencionando los experimentos y las observaciones con pocos detalles. Y por otro lado, usar como guía la historia de los experimentos, mencionando las teorías de forma colateral. Este segundo modo es el que usa Juan Antonio Caballero Carretero, catedrático de Física de la Universidad de Sevilla, en su breve libro “Los neutrinos. Las partículas elementales que todo lo atraviesan”, Un paseo por el cosmos, RBA Coleccionables (2015) [151 pp.].

Me ha gustado que el foco de este libro hayan sido los experimentos que nos han permitido desvelar la física de los neutrinos que conocemos. Sin embargo, me hubiera gustado que el libro tuviera otras 150 páginas, pues solo se dedican unas 30 páginas a los experimentos de los últimos 30 años. Muchos solo se mencionan de pasada. El libro se centra en la física del siglo XX y olvida los avances del siglo XXI. Por ejemplo, no se menciona el Premio Nobel de Física de 2002. Aún así el libro es muy recomendable para quienes no conozcan en detalle la historia de los neutrinos durante el siglo XX.

Por cierto, Juan Antonio Caballero también es autor de “Dirac. La antimateria. El reflejo oscuro de la materia”, Grandes Ideas de la Ciencia, RBA Coleccionables (2013), y de “Pauli, el espín: los electrones bailan”, Grandes Ideas de la Ciencia, RBA Coleccionables (2014).

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El libro consta de seis capítulos tras la introducción [pp. 7-13]. “Un dato que quizás le inquiete es saber si podríamos hacer algo para evitar ser ‘atravesados’ por tan ingente número de proyectiles. La respuesta es no. Los neutrinos nos han acompañado siempre y han formado parte de la propia evolución del mundo natural. [Pero] no deja de ser sorprendente que la partícula más esquiva del universo sea quizá la que nos proporcione la mejor información sobre el universo en el que vivimos”.

El capítulo primero, “El postulado del neutrino: un remedio desesperado” [pp. 15-39], se inicia con William Thomson, lord Kelvin, y “el fin de una época”, pasa por “la radiactividad”, describe cómo James Chadwick “mostró que el espectro energético de emisión de la radiación β era continuo” y acaba con “el postulado de Pauli”. “La única respuesta que encontró Pauli fue admitir que junto al electrón se emitía otra partícula, no detectada, de modo que la energía total disponible se repartía entre ambas. [En] 1932 Chadwick descubrió el neutrón. [Fue] Fermi quien la denominó neutrino (el pequeño neutrón)”.

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“El neutrino se hace real” [pp. 41-60], el segundo capítulo, tras describir la teoría de “Fermi y la desintegración beta” nos presenta la idea de “Bruno Pontecorvo, físico italiano y antiguo estudiante de Fermi. [En] 1946, [este] físico italiano no solo justificaba que la ‘observación’ del neutrino era posible, sino que además proponía un método para llevar a cabo tal empresa. [El] material a usar en el detector podría ser simplemente cloro, sustancia muy usada en productos de limpieza. El neutrino al interaccionar con el cloro producía argón, un gas noble, químicamente inerte, y radiactivo”.

“El primer intento fallido [del] químico estadounidense Ray Davis [usó] un tanque lleno con unos 4000 litros de tetracloruro de carbono que situó próximo al pequeño reactor [nuclear] existente en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York)”. Davis fracasó porque “no podía imaginar en aquellos años que las partículas que se producían en el reactor eran antineutrinos, [que] no interaccionan con los núcleos de cloro para producir electrones y núcleos de argón”. El neutrino fue descubierto por Frederick Reines y Clyde Cowan usando la desintegración beta inversa. “Construyeron un pequeño detector cilíndrico lleno de agua con cloruro de cadmio y rodeado de un material centelleador. [En] las paredes del detector colocaron numerosos tubos fotomultiplicadores que podían captar los destellos de luz producidos”. El 14 de junio de 1956 informaron por carta a Pauli que “hemos detectado los neutrinos”.

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El capítulo tercero, “Mirando en el centro del Sol” [pp. 61-82], nos cuenta la historia del proyecto del químico Ray Davis “que le ocupó el resto de su vida y que trajo consigo profundas satisfacciones, pero también grandes sinsabores. Quizá ha sido el ejemplo más claro de esfuerzo y perseverancia por parte de un físico en la consecución de sus objetivos”. Hans Bethe publicó en 1939 “los dos procesos fundamentales que dan lugar a la producción de helio [en el Sol]. El primero se denomina ciclo CNO [y es] minoritario en el caso del Sol. [El otro] proceso, principal responsable de la energía producida en el Sol se denomina cadena protón-protón (cadena pp).” Las figuras del libro ilustran bien estos procesos.

“Ray Davis estaba preparado para detectar los neutrinos producidos en el centro del Sol. [Pero], la única posibilidad [era] la captura de neutrinos asociados al ciclo CNO, algo bastante improbable en el caso del Sol. [Gracias a que] en 1958 Bethe descubrió que [en] la cadena pp podían existir varios caminos” (procesos PPI, PPII y PPIII). “Lo realmente interesante de estos nuevos procesos era que los neutrinos emitidos tenían energía más que suficiente para activar el detector de Davis”. En 1960 conoció al joven físico teórico John Bahcall que “incorporó en sus cálculos la posibilidad de que el núcleo de argón quedase excitado. [El] ritmo de captura de los neutrinos por el cloro aumentaba en un factor de 20″. Bahcall “concluyó que unos 66 000 millones de neutrinos solares atravesaban cada centímetro cuadrado de la Tierra cada segundo. [En] 1968 Davis anunció las primeras evidencias experimentales. [Pero] el número que se obtenía era claramente inferior a la predicción téorica, aproximadamente un tercio”. Surgió el llamado problema de los neutrinos solares.

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“El sabor y otras extrañas propiedades” [pp. 83-100], el cuarto capítulo, nos habla de la “desintegración del muón”, “la paridad y la interacción débil” y el trabajo de “Pontecorvo y la múltiple personalidad del neutrino”. Me ha gustado bastante este breve capítulo, pero se le podría haber sacado mucha más miga. “El sabor de los neutrinos: el experimento” de Lederman, Schwartz y Steinberg permitió descubrir un nuevo tipo de neutrino. “[El] resultado indicaba de modo inequívoco que todos los neutrinos que habían interaccionado con el aluminio tenían el sabor muónico. Ni una sola señal correspondió al caso de electrones. La evidencia experimental indicaba que ambos tipos de neutrinos eran claramente distintos”.

El capítulo quinto, “Cambios de personalidad: las oscilaciones” [pp. 101-122], nos recuerda que “nadie prestó especial atención al nuevo trabajo de Pontecorvo y su propuesta de que el neutrino pudiese modificar su personalidad. Resultaba demasiado extraño para ser aceptable”. Tras mencionar los proyectos GALLEX y SAGE en “detectanto neutrinos solares con galio” se pasa a “los neutrinos de Kamiokande” (Japón). “El detector consistía en un enorme tanque de tres mil toneladas de agua ultrapura y rodeado de unos mil tubos fotomultiplicadores”. Los “neutrinos atmosféricos” son resultado de los “rayos cósmicos incidentes sobre la Tierra. [El] experimento Kamiokande estaba preparado para detectar [los] neutrinos atmosféricos. Más aún, podía distinguir entre los dos tipos: muónico y electrónico”.

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“A mediados de 1980, [los] resultados indicaban que el número de neutrinos muónicos era similar al de electrónicos. [En] clara contradicción con la predicción teórica. Se denominó anomalía de los neutrinos atmosféricos. [El] desarrollo de [un] nuevo detector, SuperKamiokande, [cuyos] primeros datos se hicieron públicos en 1998, [produjo] un fuerte impacto en la comunidad de físicos. [Los] neutrinos muónicos, en su largo viaje a través de la Tierra, desaparecían o se transformaban en otro tipo que no podía detectarse. [En 1969], Pontecorvo y su colega Gribov publicaron [que] la mecánica cuántica [permitía] procesos de transformación entre los distintos sabores [de neutrinos]. [Pero] los neutrinos deben tener masa. [El] nombre asignado a este fenómeno [fue] oscilaciones de neutrinos”. Gracias al efecto MSW (Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein), la oscilación de los neutrinos en la materia, se pudo entender el resultado de SuperKamiokande.

“La respuesta final a los neutrinos ausentes, [fue] el objetivo del experimento SNO [que] se llevó a cabo en Ontario (Canadá). Los datos del análisis indicaron claramente que el número de neutrinos electrónicos era un tercio del totoal. Los resultados originales de Davis y los cálculos de Bahcall recibían un espaldarazo definitivo”. El libro no menciona que Raymond Davis Jr. y Masatoshi Koshiba obtuvieron la mitad del Premio Nobel de Física de 2002 gracias a Kamiokande y que John N. Bahcall falleció en 2005 sin un merecido Nobel. “El experimento SNO pudo concluir, con una fiabilidad superior al 99,99% que los neutrinos del Sol cambian (oscilan) de un tipo a otro durante su trayecto desde el centro del Sol hasta la Tierra”. Como bien sabrás el Premio Nobel de Física de 2015 se ha concedido a Takaaki Kajita (SuperKamiokande) y Arthur B. McDonald (SNO) por este descubrimiento.

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El último capítulo, “El mensajero del universo” [pp. 123-145] menciona de forma breve algunos “experimentos sobre oscilaciones” de neutrinos, como K2K, T2K, MINOS, ICARUS, OPERA y KamLaND. Se dedica un poco más de espacio a OPERA por el fiasco de los neutrinos superlumínicos. Todo muy breve, para dar paso a los “neutrinos extragalácticos” de la supernova SN 1987A, observados por IMB y Kamiokande. También muy breve se discute, sin mencionar ningún experimento concreto, las “masas de los neutrinos”. Se finaliza “mirando en los confines del universo” mencionando ANTARES, BAIKAL y el IceCube.

En resumen, un libro breve pero recomendable, que deja con ganas de profundizar más. Hay más de 30 experimentos en activo sobre física de los neutrinos que darían para un nuevo libro de 150 páginas, continuación de este. Quizás algún día alguien lo escriba.


2 Comentarios

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Juan Antonio CaballeroJuan Antonio Caballero

Gracias por los comentarios generales. Solo algunas puntualizaciones.

1.- Es cierto que no se menciona lo del premio Nobel de 2002. En alguna versión previa del manuscrito se incluyó pero terminó desapareciendo. Respecto a Bahcall y Pontecorvo, en algún lugar del libro se dice que nunca obtuvieron el “más que merecido” máximo reconocimiento científico.
2.- La extensión del libro es muy estricta. Tampoco debe olvidarse a quién va dirigido. Esto limita de modo considerable el contenido. Soy muy consciente de los numerosos experimentos y estudios actuales sobre neutrinos; yo mismo trabajo desde hace años en algunos de estos proyectos, pero, como bien dices, se necesitarían otras 150 páginas adicionales, y el enfoque sería distinto. De hecho, el último capítulo del libro era algo más extenso en el manuscrito original con una mayor discusión del carácter Dirac-Majorana de los neutrinos, descripción de algunos de los experimentos más recientes, en concreto, MiniBoone y T2K, etc, en los que llevo años trabajando, etc. Sin embargo, de acuerdo con los editores, decidimos que era mejor reducir los contenidos pensando en el lector medio. Sinceramente, creo que fue una buena decisión.

Un saludo

Juan Antonio Caballero

P.S. Debes cambiar José por Juan. También como información adicional, soy autor de Pauli (grandes ideas de la ciencia)

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