Fuente: Universo a la vista

El día que empezó el enigma de los neutrinos solares

de Universo a la vista de Alejandro Tropea

Los experimentos de Ray Davis en una mina de oro lo llevaron a resolver el enigma de los neutrinos solares y ganar en 2002 el Premio Nobel de Física

Bitácora cortesía de Ray Davis en Symmetry Magazine.

En las profundidades de la mina de oro Homestake, en Lead, Dakota del Sur, durante la década de 1970, Ray Davis controlaba un tanque de 100.000 litros de percloroetileno, un químico de limpieza en seco rico en cloro. El experimento fue diseñado para detectar los neutrinos solares, utilizando la teoría de que un neutrino entrante produce argón radiactivo mediante la interacción con un núcleo de cloro.

Davis tuvo éxito, pero sólo detectó un tercio de la cantidad esperada. Este enigma de los "neutrinos solares" inspiró una serie de experimentos que finalmente confirmaron el cambio de sabores de los neutrinos. Por su trabajo, Davis ganó en 2002 el Premio Nobel de Física.

En la imagen se muestra una página de su cuaderno referida a una pieza de ese trabajo. Davis analiza los coches "tanque" -tanques de 500 galones montados en carros de ferrocarril- utilizados para medir la tasa de producción de un tipo de partícula de fondo, los neutrones, a diferentes profundidades de la mina. Los tanques (él esbozó uno en la parte inferior izquierda) contenían una solución de nitrato de calcio, un fertilizante común. Los resultados ayudaron a Davis determinar el fondo de rayos cósmicos en el tanque de 100.000 galones.

Información relacionada:
Historia breve del descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos

Fuente:
logbook: solar neutrinos (Laura Mgrdichian, Laboratorio Nacional de Brookhaven)

Fuente: El Mundo

El desafío de los neutrinos

por Francisco J. Ynduráin

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Resultados:

Francisco J. YNDURÁIN | Publicado el 27/11/2003

De los tres tipos de partículas de las que está constituida la materia, electrones, quarks (que forman los núcleos atómicos) y neutrinos, las últimas son, sin duda, las más peculiares. Son partículas con una masa minúscula y sin carga eléctrica, que se producen en muchas reacciones nucleares. En particular, los procesos que mantienen al sol brillando producen una enorme cantidad de neutrinos: cada segundo nos están atravesando unos diez billones de estas partículas procedentes del sol. Y, por otra parte, también nos atraviesan otros neutrinos: los que llegan a la tierra con los rayos cósmicos, o procedentes de otras estrellas o, simplemente, producidos, más cerca de nosotros, en procesos radioactivos, naturales o artificiales. Sin embargo, la interacción de los neutrinos con la materia es tan débil que no somos sensibles a esta lluvia de partículas, que tienen incluso una alta probabilidad de atravesar toda la tierra sin dejar rastro. Debido a esta propiedad de interaccionar débilmente, los neutrinos han planteado difíciles retos experimentales en lo que respecta a su detección e identificación.

En los años sesenta del siglo pasado, el físico americano Raymond Davis se planteó el reto de detectar los neutrinos solares construyendo, en 1965, un detector con casi medio millón de kilos de percloretileno, que instaló en el interior de la mina de oro Homestead, en Dakota del Sur. La razón de utilizar una mina (como en el experimento de Davis) o el interior de un túnel, como en otros experimentos posteriores, es que en tales lugares se está blindado contra los rayos cósmicos que, de lo contrario, producirían un gran ruido de fondo, imposibilitando la detección de algo tan sutil como las interacciones de los neutrinos que, en el experimento de Davis, sólo producían señales una o dos veces al año (transmutando un átomo de cloro en argon).

Durante mucho tiempo el experimento, conocido como experimento de Davis, funcionó sin éxito aparente. Las señales de neutrinos tardaron en llegar y, cuando llegaron (a partir de 1968), resultaron mucho menos frecuentes de lo que se esperaba: al menos un factor dos, tal vez un factor tres. Sin embargo, el detector de Davis era tan difícil de controlar que la comunidad científica no prestó demasiada atención al hecho y durante casi veinte años Davis prosiguió, prácticamente ignorado, sus experimentos. No estaba claro qué fallaba en el experimento de Davis, si el detector, nuestros conocimientos de la astrofísica solar o, como a la postre resultó, si había una tercera explicación.

Sin embargo, a finales de la década de los ochenta, y a lo largo de los noventa del pasado siglo, y ayudados los investigadores por la experiencia adquirida en los intentos de detectar la desintegración del protón (para lo que se construyeron detectores mucho mayores que el de Davis), se han llevado a cabo otros experimentos utilizando materiales distintos del de Davis, y con sensitividad a neutrinos producidos en reacciones solares distintas de las consideradas por él.

Dos modernos detectores de neutrinos son, en efecto, aparatos gigantescos, algunos de decenas de miles de toneladas de peso, y son sensibles no sólo a los neutrinos generados en el sol, sino también a los producidos por los rayos cósmicos. E incluso, cuando en 1987 se produjo la explosión de una supernova en una de las nubes de Magallanes (galaxias situadas en la vecindad de nuestra Vía Láctea, pero aun así a ciento setenta mil años luz de nosotros), algunos detectores (entre ellos el de Kamioka, en Japón, dirigido por Masatoshi Koshiba, y sobre el que volveremos) pudieron identificar el paso de los neutrinos producidos en la colosal detonación. Los resultados de estos experimentos confirmaron los hallazgos del original de Davis: se detectan muchos menos neutrinos que los que se producen, cuando estos neutrinos tienen que viajar una gran distancia entre el lugar en que han sido producidos y el detector. Esto lo podemos saber porque en los más modernos experimentos (en particular en los realizados en Kamioka) es posible inferir la dirección desde la que llegan los neutrinos. Es por tanto posible diferenciar entre los neutrinos producidos en la atmósfera por rayos cósmicos directamente encima del detector, y aquellos neutrinos que llegan después de atravesar la tierra, habiendo sido producidos en los antípodas. El sorprendente resultado que se encuentra es que el número de neutrinos procedentes de los antípodas que se detectan es bastante inferior a los neutrinos detectados procedentes de encima del detector: aparentemente, desde los antípodas al detector desaparece casi la mitad de los neutrinos, igual que pasa cuando los neutrinos llegan desde el sol. Cuando media una gran distancia entre fuente y detector parece que los neutrinos se perdiesen por el camino.

Se han propuesto docenas de explicaciones para este fenómeno. La más sencilla y probable, sugerida ya en 1968 por Vladimir Gribov y Bruno Pontecorvo, consiste en tener en cuenta que existen tres tipos distintos de neutrinos, conocidos como “neutrino electrónico”, “neutrino muónico” y “neutrino tauónico”. En el sol únicamente se producen neutrinos de tipo electrónico; y el detector de Davis sólo detecta neutrinos de este tipo. Sin embargo, es posible demostrar teóricamente (pero con argumentos muy sólidos) que, si los neutrinos tienen una muy pequeña masa, podrían desintegrarse, o tal vez transmutarse, entre los tres posibles tipos de neutrino. Así, el neutrino electrónico (que es el que producen las reacciones solares) podría desintegrarse, o transmutarse, en neutrinos tipo mu o tau, que los aparatos utilizados por Davis no son capaces de detectar; y algo similar le ocurriría al detector de Kamioka.

El misterio de los neutrinos solares, sin embargo, sólo se resolvió en los últimos dos años, y ello gracias al detector conocido como SNO (“Sudbury Neutrino Observatory”) en Canadá. En él un detector central, con agua pesada, es capaz de detectar todo tipo de neutrinos: electrónicos, muónicos y tauónicos; pero el detector exterior (con agua ordinaria) sólo detecta las señales de los neutrinos de tipo electrónico. De hecho, el detector de SNO es tan eficaz que nos permite recoger un número suficiente de neutrinos como para que éstos formen una imagen del centro del sol, igual que la luz nos proporciona una imagen de su superficie. Las conclusiones de las observaciones de SNO, completadas en el último año, son concluyentes: el número de neutrinos detectados en el interior es el que se espera produzca el sol; el número de los detectados en el exterior está en acuerdo con los resultados del experimento de Davis, y similares.

La conclusión es inevitable: en el camino entre el sol y la tierra, ya sea por oscilación o por desintegración, se transmutan algo más de la mitad de los neutrinos electrónicos en los otros dos tipos de neutrinos. La importancia de estos descubrimientos no ha pasado desapercibida a la Academia Sueca de Ciencias que ha galardonado con el último premio Nobel de Física (de 2002) a Raymond Davis y al japonés Masatoshi Koshiba, por detección de neutrinos extraterrestres. Es una pena, sin embargo, que (en una de sus pocas pifias) el comité Nobel no haya incluido en el premio a un representante del experimento de SNO, sin duda el que ha aclarado la situación de los neutrinos (en especial de los solares) de forma definitiva, y que ha obtenido -por primera vez en la historia- una imagen del interior del sol, trasmitida por neutrinos.