INTRODUCCIÓN A LOS NEUTRINOS Y FORMAS DE DETECTARLOS

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Con el descubrimiento de Anderson en 1933 del positrón, la primera partícula de antimateria, se confirma la idea de neutrino que tenía Pauli en su mente. Ese mismo año, también se descubre la radioactividad :[pic 5]

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Con esta idea Enrico Fermi toma la hipótesis del neutrino y construye su teoría de la desintegración beta (interacción débil). Desde entonces, los físicos han hecho grandes progresos en la comprensión de la interacción débil y ahora también hablamos de protones y neutrones, por otra parte compuestos por quarks. Uno de los quarks del neutrón se transforma en otro, produciendo la emisión de un bosón -quanta portador de la interacción- W, que se desintegra en un electrón y un antineutrino.

Hasta el final de la década de los años cuarenta del siglo pasado, los físicos trataban de hacer medidas del núcleo durante la desintegración beta para verificar que las medidas fueran compatibles con la hipótesis de un solo neutrino emitido con el electrón. Sin embargo, no parecía posible cualquier observación directa del neutrino, ya que la probabilidad predicha de interacción era demasiado débil para un experimento: una fuente muy abundante de neutrinos y muy sensible era necesaria, aparte de que debía ser necesario un detector suficientemente grande y pesado.

En 1945, la primera bomba atómica explota. A pesar del horror que inspiró, es para los físicos una potencial fuente suficientemente grande de neutrinos. Frederick Reines, en Los Alamos, habla a Fermi en 1951 sobre su proyecto de situar un detector de neutrinos cerca de una bomba atómica. En 1952, conoce a Clyde Cowan y finalmente acuerdan usar una fuente más pacífica de neutrinos: la planta nuclear de Hanford, Washington. El detector es rápidamente construido y el experimento propuesto en Febrero de 1953. Es finalmente llevado a cabo en primavera y sus resultados salen durante el verano del mismo año 1953.

A pesar de todo, la señal no es clara ni convincente. Realizan de nuevo el experimento en 1956, más cuidadosamente y esta vez cerca de la planta nuclear de Savannah River, en Carolina del Sur. Las mejoras realizadas, especialmente la disminución de la señal de “background” (ruido o fondo) les proporcionan, tras numerosos ensayos, la evidencia que andaban buscando. El neutrino estaba ahí. Su señal era claramente visible en el detector.[pic 7][pic 8]

Reines y Cowan realizaron el experimento usando un blanco de 400 litros de una mezcla de agua y cloruro de cadmio. La idea se basaba en que el antineutrino sale del reactor nuclear e interacciona con un protón del blanco, dando lugar a un positrón y un neutrón. El positrón se aniquila con un electrón del material produciendo simultáneos fotones y el neutrón marcha lentamente hasta que es capturado eventualmente por un núcleo de cadmio, implicando la emisión de fotones unos 15 microsegundos después de la aniquilación del positrón. Todos los fotones son detectados y los quince microsegundos identifican la interacción con el neutrino.

Con el descubrimiento de las distintas clases de neutrinos una nueva fiebre comienza entre los años sesenta y ochenta. Numerosos experimentos y descubrimientos fueron realizados, casi al mismo tiempo, sobre quarks y leptones, viniendo uno tras otro. Durante los sesenta y los setenta, electrones y neutrinos de alta energía se usaron para probar la composición de nucleones (neutrones y protones). La evidencia de quarks y su estudio estará agradecida al neutrino. En los setenta, en el CERN, especialmente en 1975 y 1976 los experimentos CDHS,CHARM y CHARMII, después BEBC, todos con resultados remarcables sobre la estructura quark de los núcleos, permitieron también un mejor entendimiento de la extraña interacción débil.[pic 9][pic 10]

En los ochenta, consideraciones prácticas y teóricas han llevado a algunos físicos a proponer que el neutrino puede tener una masa no nula, salvo posibilidades más exóticas. La mecánica cuántica permite entonces un fenómeno llamado “oscilaciones” de neutrinos, esto es, un neutrino electrónico puede, mientras viaja a través del universo, convertirse en muónico o incluso en tauónico. Desde entonces la búsqueda de estas oscilaciones se ha convertido en un objetivo prioritario para los físicos. Numerosos experimentos se han llevado a cabo para hallarlas siendo los más importantes los realizados en Opera y Kamiokande, donde finalmente se descubrió estas oscilaciones.

3.- DETECTORES DE NEUTRINOS

Como dijimos anteriormente, los neutrinos reciben el apodo de partículas fantasma debido a su baja tendencia a interaccionar con la materia, lo que los hace muy difíciles de detectar. Es común encontrarse con comentarios que afirman que los neutrinos no interaccionan en absoluto con el resto de la materia, sin embargo esto es incorrecto. Como vimos, los neutrinos sí interaccionan con la materia pero la probabilidad de esta interacción es muy pequeña. Esta pequeña probabilidad de interacción se debe a que los neutrinos son partículas fundamentales sin carga eléctrica, por lo que son insensibles a interacciones electromagnéticas, sólo interaccionan vía la interacción nuclear débil (además de la gravedad, cuyos efectos son todavía más débiles). Por este motivo pasaron más de 25 años entre que Pauli propuso la existencia los neutrinos y su posterior observación experimental. Teniendo en cuenta que 61.000.000.000 de neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo cada segundo sin producir ningún efecto, ¿cómo es posible entonces construir un detector de neutrinos y conseguir medir sus propiedades? Los físicos tomaron una idea basada en la probabilidad de interacción entre un neutrino y un núcleo atómico. Esta probabilidad es fija, pero las posibilidades de que dicha interacción ocurra aumentan si logramos disponer de mucha materia y muchos neutrinos, es decir, un detector con muchos átomos usando una fuente copiosa de neutrinos.

Como hemos visto anteriormente, los esfuerzos por detectar neutrinos comenzaron en el siglo pasado, durante el Proyecto Manhattan en 1945, cuando Fred Reines en Los Álamos vio en una explosión atómica una intensa fuente de neutrinos. Debido a diferentes problemas técnicos su implementación no fue posible, básicamente porque el detector sería vaporizado por la explosión nuclear, por lo que no se consideró un experimento viable. Reines consideró más adelante (1951) el uso de una fuente más pacífica de neutrinos, un reactor nuclear en vez de una bomba atómica, que es una intensa fuente de antineutrinos, iniciando así lo que se nombró como el Proyecto Polstergeist utilizando la planta nuclear de Hanford