LOS NEUTRINOS, LAS PARTÍCULAS MAS RÁPIDAS QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ

Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín 1/2. Desde hace unos años se sabe, en contra de lo que se pensaba, que estas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y es muy difícil medirla. Hoy en día (2012), se cree que la masa de los neutrinos es inferior a unos 5,5 eV/c² lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno.² Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.

La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.

En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.

HISTORIA

La existencia del neutrino fue propuesta en 1930 por el físico Wolfgang Pauli para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones según la siguiente ecuación:

Pauli interpretó que tanto la masa como la energía serían conservadas si una partícula hipotética denominada «neutrino» participase en la desintegración incorporando las cantidades perdidas. Desafortunadamente, la partícula prevista había de ser sin masa, ni carga, ni interacción fuerte, por lo que no se podía detectar con los medios de la época. Esto era el resultado de una sección eficaz muy reducida

Durante 25 años, la idea de la existencia de esta partícula sólo se estableció de forma teórica.

De hecho, es muy pequeña la posibilidad de que un neutrino interactúe con la materia ya que, según los cálculos de física cuántica, sería necesario un bloque de plomo de una longitud de un año luz (9,46 billones de kilómetros) para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesaran.

En 1956 Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron su existencia experimentalmente. Lo hicieron bombardeando agua pura con un haz de 10¹⁸neutrones por segundo. Observaron la emisión subsiguiente de fotones, quedando así determinada su existencia. A este ensayo, se le denominaexperimento del neutrino.

En 1987 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron los dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos.

En septiembre de 2011, la colaboración OPERA anunció que el análisis de las medidas para la velocidad de los neutrinos en su experimento arrojaba valores superlumínicos. En particular, la velocidad de una cierta clase de neutrino podría ser un 0,002 % mayor que la de la luz,³ ⁴ lo que aparentemente contradiría la teoría de la relatividad.

Sin embargo, en los días posteriores al anuncio (que tuvo una espectacular difusión internacional), a través del británico Institute of Physics se hicieron patentes algunos desacuerdos entre miembros del equipo internacional sobre la necesidad de efectuar más pruebas, y de publicar los resultados en revistas con peer review, antes de dar más publicidad a estos primeros resultados.⁵ ⁶

Más recientemente, el 10 de noviembre de 2011, el director del CERN, Sergio Bertolucci, ha declarado a la prensa que «el experimento está siendo repetido por nosotros y por otros científicos en Estados Unidos, Japón e Italia», y que «lo más probable es que se demuestre que hubo un error en el experimento inicial y que el límite sigue siendo la velocidad de la luz».⁷ Un nuevo experimento en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) ha arrojado el mismo resultado que el estudio del pasado mes de septiembre. No obstante Fernando Ferroni, presidente del INFN, afirmó: «El resultado positivo del experimento nos hace confiar más en el resultado, aunque habrá que esperar a ver los resultados de otros experimentos análogos en otras partes del mundo antes de decir la última palabra».⁸ Se ha dicho desde el mismo organismo que a la hora de la medida de la distancia recorrida por los neutrinos hubo un fallo en el sistema de posicionamiento (GPS), al tener un cable desconectado, por lo que la medida de la velocidad superlumínica ha sido descartada.

DETECTORE DE NEUTRINOS

Al conocerse con exactitud las reacciones nucleares que se dan en el Sol se calculó que un apreciable flujo de neutrinos solares tenía que atravesar la Tierra a cada instante. Este flujo es enorme pero los neutrinos apenas interactúan con la materia ordinaria. Incluso las condiciones del interior del Sol son «transparentes» a éstos. De hecho, un ser humano es atravesado por miles de millones de estas diminutas partículas por segundo sin que se entere. Así pues se hacía difícil concebir algún sistema que pudiese detectarlos.

Detectores basados en procesos radiactivos

Sin embargo, en 1967 Raymond Davis logró dar con un sistema de detección. Observó que el cloro-37 era capaz de absorber un neutrino para convertirse en argón-37 tal y como se muestra en la ecuación siguiente:

Naturalmente, ésta no era la única reacción entre los neutrinos y la materia ordinaria. Lo que tenía de especial el cloro-37 es que cumplía ciertos requisitos para poderse usar en un futuro detector.

§ a) La sección eficaz de la interacción cloro-37 con un neutrino es bastante grande lo que implica una mayor probabilidad de que tal reacción se produzca

§ b) El argón-37 es radioactivo por lo que es posible detectar su presencia por sus emisiones

§ c) El cloro-37, aunque no es el isotopo del cloro más abundante, es muy fácil de obtener.

Normalmente el cloro-37 aparece mezclado con otros isótopos. Particularmente con el cloro-35, el más abundante. Además, se puede tener mezclado con otros átomos o moléculas, siempre conociendo su proporción. Para evitar mediciones falsas debidas al argón-37 ya presente en la mezcla, el primer paso fue efectuar un limpiado del producto. Hecho esto, se debía dejar reposar la mezcla de cloro-37 durante unos meses hasta que llegaba a una situación estacionaria. Esto es cuando la cantidad de argón que se desintegra se iguala a la cantidad que se forma. El momento de equilibrio vendrá determinado por el periodo de semidesintegración.

Para proteger al detector del ruido de fondo producido por la radiación cósmica se enterró el tanque¹ de la mezcla clorada en una mina de oro de Dakota del Sur a mucha profundidad. Sin embargo, las primeras observaciones sólo dieron cotas superiores, compatibles aún con cero². Los resultados eran menores a lo esperado y se confundían con el ruido. Tras repetidos aumentos en lasensibilidad de los instrumentos y en la pureza de la mezcla de cloro-37 se logró, por fin, calcular que nos llegaba aproximadamente un tercio del flujo esperado³. Estos resultados no fueron tomados muy en serio en un principio, por lo que se prosiguió experimentando con mezclas mejores pero también más caras basadas en el galio o el boro.

¹El tanque contenía 380.000 litros de percloretileno, un líquido empleado frecuentemente en tintorerías.

²La sensibilidad inicial del detector estaba prevista para detectar el flujo esperado de neutrinos solares. Pero al estar éste por debajo de la precisión del sistema inicialmente solo se obtuvo una cota superior.

³Se esperaba una media de un neutrino y medio capturado cada día. Pero el resultado fue de solo medio neutrino al día.

Detectores basados en el efecto Cherenkov

Las dudas acerca de los métodos utilizados por Davis incentivaron la búsqueda de alternativas para la detección de tan escurridizas partículas. Así surgió una nueva línea de detectores que se basaban en la colisión de neutrinos con electrones contenidos en un medio acuoso.

Estos detectores se basan en el hecho de que el neutrino al impactar contra un electrón le transmite parte de su momento confiriéndole a éste una velocidad en ocasiones superior a la de la luz en ese mismo medio acuoso. Es en ese momento cuando se produce una emisión de luz característica, conocida como radiación de Cherenkov, que es captada por los fotomultiplicadores que recubren las paredes del recipiente. Como lo que se observa es una transmisión de momento lineal podemos inferir aproximadamente la masa de éstos y la dirección de la que proceden mientras que con el anterior sistema de detección solo podíamos calcular el flujo de neutrinos.

En vez de agua convencional se usa agua pesada porque ésta tiene más probabilidades de capturar neutrinos. Éste es el caso del más famoso detector de neutrinos. El Super-Kamiokande, que recibe su nombre de la mina japonesa de Kamioka. Lo primero que se hizo con este enorme recipiente, de 40 metros de diámetro por 40 de altura dotado de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores, fue detectar los neutrinos procedentes de la supernova. 1987A. Luego se midió el flujo de los neutrinos solares corroborando los resultados del detector de Davis. Su mayor éxito ha sido la reciente medición de la masa del neutrino. Fue con el experimento de la supernova con el que el laboratorio se hizo más famoso al poder determinar que la masa del neutrino no era nula llegando a acotar su valor a partir de la medición del retraso con que llegaron los neutrinos procedentes de la explosión. Si estos hubiesen carecido de masa hubiesen llegado junto a los fotones (la luz de la supernova)

NOTICIAS DE DIFERENTES DIARIOS

Los neutrinos ya no son más rápidos que la luz, según nueva prueba

Tras un nuevo experimento, los científicos del CERN descubrieron que los neutrinos en realidad no viajan más rápido que la luz. El año pasado, los investigadores obtuvieron extraños resultados en un rayo de neutrinosenviado desde Suiza al laboratorio Gran Sasso en Italia, que parecían estar demorándose menos que la luz en recorrer el trayecto – un resultado que alteraba gran parte de las teorías de la física.

Pero recientemente se descubrió un error que podría invalidar el resultado, de modo que los investigadores volvieron a medir un rayo de neutrinos del mismo tipo, usando esta vez el experimento ICARUS para hacer la medición, en lugar del experimento OPERA que había sido usado anteriormente.

Al parecer, OPERA estaría entregando un resultado alterado, “pero es importante ser rigurosos, y los experimentos BOREXINO, ICARUS, LVD y OPERA en Gran Sasso harán nuevas mediciones con rayos de neutrinos enviados desde el CERN en mayo, para entregarnos el veredicto final”, afirmó el director de la investigación, Sergio Bertolucci.

Aun si no viajan más rápido que la luz, los neutrinos tienen otras propiedades interesantes, como enviar mensajes a través de paredes o planetas, entre otras cosas.

El neutrino desafía a Einstein

Un experimento halla pruebas convincentes de partículas que viajan más rápido que la luz. La comunidad científica pide cautela hasta que se confirmen los resultados

"Los resultados supondrían que es posible viajar en el tiempo"

Un hombre armado con una presentación Power Point y un puntero láser se dispuso ayer a cuestionar el límite de velocidad cósmica fijado por Albert Einstein hace más de un siglo. Era Dario Autiero, uno de los investigadores a cargo del laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en Italia. Allí, a 1.400 metros bajo tierra, su equipo ha jugado a las carreras con el neutrino, una partícula elemental mil millones de veces más pequeña que un átomo de hidrógeno. Los investigadores dispararon neutrinos desde Ginebra y observaron su llegada al Gran Sasso tras un sprint de 730 kilómetros bajo tierra. Los resultados mostraban obstinados lo imposible: más de 15.000 neutrinos habían batido a la luz por 60 milmillonésimas de segundo.

Era una marca ridícula en una pista de atletismo, pero revolucionaria en ciencia. A principios del siglo pasado, la teoría de la relatividad de Einstein dijo que nada en la naturaleza puede viajar más rápido que la luz. Los resultados del equipo de Autiero son, por ahora, la mayor contradicción de ese límite de velocidad cósmico.

Tras tres años de trabajo, el equipo no ha conseguido encontrar un error en sus mediciones. Pero ante el enorme calado de los datos, Autiero y su equipo fueron muy cautos. "No vamos a intentar deducir aún ninguna explicación teórica de los resultados", señaló el físico como despedida a su presentación de ayer ante investigadores del Laboratorio Europeo de Física de Partículas CERN, en Ginebra, que le envolvieron en un cerrado aplauso.

Los neutrinos amenazan la Relatividad

De confirmarse el experimento de OPERA, quedaría invalidado uno de los dos principios de la teoría einsteniana

Los investigadores de OPERA han llegado a la conclusión de que la velocidad de los neutrinos supera a la de la luz en un 0,00025%. De confirmarse más ampliamente los resultados del experimento, eso supondría la invalidez de al menos uno de los dos principios en los que se basa la teoría de la relatividad einsteniana y una verdadera revolución en física fundamental de insospechadas consecuencias, aunque no causará ningún cambio, al menos por ahora, en las aplicaciones de la física, incluso en las más sofisticadas. Por José L. Sánchez Gómez.

Los recientes resultados del experimento OPERA, que –de ser ciertos– indicarían que los neutrinospueden viajar a una velocidad superior a la de la luz en el vacío, han convulsionado el mundo de la física.

En efecto, este hecho supone (repito, de ser cierto) que la teoría de la relatividad especial de Einstein no es absolutamente verdadera y que, por tanto, alguno de los postulados en los que se basa no es correcto.

Pero antes de seguir no está de más advertir, como ya han hecho bastantes voces autorizadas (véase, por ejemplo, el artículo de Eduardo Martínez “Cautela sobre los neutrinos que son más veloces que la luz”, TENDENCIAS CIENTÍFICAS, 7-10-2011) que bien podría haber algún error experimental, de tipo sistemático, inadvertido y que, por consiguiente, estos resultados han de esperar a ser confirmados por otros experimentos (uno americano y otro japonés parecen ya estar en proyecto), antes de asumir sus revolucionarias implicaciones .

Los neutrinos son las partículas elementales más extrañas, al menos de las descubiertas experimentalmente y no sólo postuladas. Se presentan en tres tipos diferentes, que en la jerga científica se conocen como “sabores” (de flavour, en inglés): neutrino electrónico (o del electrón), neutrino muónico(o del muón) y neutrino tauónico (o del tauón).

El electrón (e-), el muón (µ-) y el tauón (τ-) – junto con sus correspondientes neutrinos– constituyen las tres familias leptónicas (partículas que no sufren la interacción fuerte); estas tres partículas tienen propiedades muy parecidas, salvo la masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón y el tauón unas 17 veces más pesado que el muón.

En el mundo “ordinario”, de objetos compuestos de átomos, sólo está presente la primera familia (electrón y neutrino electrónico), pero las tres son de gran importancia en la física de partículas elementales y desempeñaron un relevante papel en la evolución del universo primigenio.

15.000 neutrinos batieron a la luz por 60 milmillonésimas de segundo

La dirección del CERN reaccionó pidiendo cautela. La institución, formada por 20 países incluida España, advirtió que "es poco probable que los datos" obliguen a modificar "la teoría de Einstein". "Si las mediciones se confirman pueden cambiar nuestra concepción de la física, pero necesitamos estar seguros de que no hay otras explicaciones más triviales", advirtió Sergio Bertolucci, director de Investigación del CERN.

Los resultados de Opera son "los más precisos obtenidos hasta ahora", según Autiero. El experimento ha usado satélites GPS para medir el punto exacto de salida y llegada de los neutrinos. Se trata de partículas sin carga que atraviesan la materia a raudales sin perturbarla. Para poder cazarlos, el Opera usa un muro subterráneo compuesto por 150.000 ladrillos que contienen película fotográfica. El tiempo de desplazamiento también se mide con relojes atómicos de alta precisión.

Desde Ginebra, los investigadores generan neutrinos haciendo chocar protones contra placas de grafito. Otro equipo los recibe tras su viaje bajo los Alpes, mide el tiempo transcurrido y lo compara con el que habría tardado un haz de luz en el vacío.

El margen de error es de 20 centímetros en una distancia total de 730 kilómetros, o lo que es igual, unos 10 nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Conscientes del alcance de los resultados, los expertos también han ajustado el dispositivo en función de la rotación de la Tierra.

Los mejores lugares para estos análisis son minas abandonadas o grandes cuevas como la de Opera, donde los millones de neutrinos que llegan desde el espacio quedan atenuados por la corteza terrestre. Operando en una cueva a 1.400 metros de profundidad bajo un macizo montañoso en los Apeninos, los expertos de Opera tienen "mil veces" menos interferencias que en la superficie, explicó Autiero.

INFORME INSTITUCIONAL EDUCATIVO

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sábado, 31 de marzo de 2012

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jueves, 15 de marzo de 2012

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