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Lunes, 17 octubre 2011
Reportaje

Investigando a los escurridizos neutrinos

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Siempre han sido muy misteriosos. Tuvieron que pasar 26 años antes de que una predicción de la física teórica sobre ellos fuera confirmada y la existencia de los neutrinos se acabase por fin demostrando experimentalmente en 1956.

La razón de esta demora es que los neutrinos interactúan con otras partículas de materia sólo mediante la Interacción Débil. Cuando un neutrino cósmico se aproxima a la Tierra, tiene muchas probabilidades de pasar a través de todo el planeta sin verse obstaculizado. Por esta causa, es difícil encontrar evidencia directa de los neutrinos con la ayuda de un detector.

Las décadas posteriores al hallazgo de 1956 se consumieron en discusiones sobre las masas de los neutrinos. El debate científico giraba mayormente en torno a la cuestión de si los neutrinos carecían de masa o bien sí la poseían aunque fuese minúscula.

Ahora, se da por seguro que las escurridizas partículas portan masa, aunque sólo sea una cantidad casi infinitesimal: Según la física actual, no debe existir ningún neutrino que pese más de 1 eV (un tenue electrón "pesa" nada menos que unos 500.000 eV).

Hay tres tipos de neutrinos, según se asume hoy en día. Teniendo en cuenta esto, cada neutrino puede ser fácilmente clasificado en una de las tres grandes familias de partículas contempladas en el modelo estándar de la física.

El conocimiento de la masa del neutrino se basa en los resultados de numerosos experimentos en los que se observaron las llamadas oscilaciones de neutrinos. Por ejemplo, los neutrinos de la familia de los electrónicos pueden transformarse de manera espontánea, mientras vuelan libremente por el espacio, en neutrinos de las otras dos familias (la de los neutrinos muónicos y la de los neutrinos tau).

Se habla de "oscilación" porque el neutrino puede cambiar su afiliación de una a otra familia periódicamente durante un viaje prolongado. La física dice que tales oscilaciones sólo son posibles si las partículas están dotadas de masa. La evidencia experimental de las oscilaciones de los neutrinos (y por lo tanto de que el neutrino tiene una masa mayor de cero) es uno de los mayores avances de la física de partículas moderna en los últimos 20 años.

El proceso de conversión entre los diferentes tipos de neutrinos depende de tres factores descritos como "ángulos de mezcla": Theta 12, Theta 23 y Theta 13. De los tres ángulos de mezcla, sólo los dos primeros son bien conocidos y tienen valores grandes, mientras que el tercero, Theta 13, aún está pendiente de que las investigaciones en marcha desvelen su valor.

Ya se asumía que el valor de Theta 13 debía de ser pequeño en comparación con los de los otros dos ángulos de mezcla, y no se podía descartar que ese valor fuese cero. En el pasado, varios proyectos independientes abordaron el reto de medir este elusivo parámetro, aunque sin éxito.

El dato más importante se obtuvo en 1998, cuando se determinó que la oscilación provocada por Theta 13 no puede ser mayor que aproximadamente una décima parte de las inducidas por los otros dos ángulos de mezcla de los neutrinos.

Hace tres años, un grupo de físicos teóricos, incluyendo a Antonio Palazzo (Excellence Cluster Universe), y a otros de la Universidad e Instituto Nacional de Física Nuclear de Bari, Italia, evidenció por primera vez la existencia de un débil indicio de un valor diferente de cero para Theta 13, gracias a un meticuloso trabajo de análisis global de todos los datos existentes sobre oscilaciones de neutrinos.

Mientras tanto, se trabajaba ya en dos experimentos mediante aceleradores (MINOS y T2K) tendentes a identificar el valor de Theta 13, y recientemente se han publicado los resultados de ambos. Cabe destacar que los dos experimentos apuntan a un valor de Theta 13 distinto de cero, en concordancia con los pronósticos de diversos físicos teóricos.

A fin de ratificarlo con mayor seguridad, los investigadores están realizando otros experimentos. Entre estos, el experimento Double-Chooz tendrá un papel crucial.

En esa línea de investigación, se aprovecha una fuente terrestre de neutrinos particularmente efectiva: Esos neutrinos (más exactamente, antineutrinos en este caso) son generados y emitidos durante los procesos de fisión en una central nuclear, y los flujos de estas partículas son particularmente altos. De un reactor nuclear típico, salen unos 1020 antineutrinos por segundo. Por esta razón, se ha iniciado el nuevo experimento en las inmediaciones de la central nuclear de Chooz, en las Ardenas Francesas.

[Img #4751]
El principio físico subyacente en el experimento de Double-Chooz es muy simple:

Inmediatamente después de su generación en el reactor nuclear, varios antineutrinos colisionan con un detector situado a 400 metros de distancia. La proximidad asegura que no se producen oscilaciones (o sólo muy pocas) entre la emisión y la detección inicial. El primer detector, por lo tanto, mide los antineutrinos electrónicos, que todavía no se han transformado en neutrinos muónicos o tau.

Un segundo detector de idéntica construcción se encuentra a unos 1.050 metros del reactor. Si el valor del ángulo de mezcla Theta 13 es lo bastante grande, una parte de los antineutrinos electrónicos se convertirá en antineutrinos tau o muónicos, como consecuencia de las oscilaciones.

Establecer que Theta 13 es efectivamente diferente de cero, podría ser la clave para averiguar si los neutrinos fueron responsables de que se crease un poquito más de materia que de antimateria en la infancia del universo. Sin esta asimetría, toda la materia debería haberse transformado en radiación poco después del nacimiento del universo, como le ocurrió a la antimateria. (Materia y antimateria se aniquilan mutuamente por completo, a cantidades iguales). Y por tanto, hoy no habría galaxias, ni estrellas ni otros astros; Ni tampoco nadie que pudiera intentar medir el valor de Theta 13.


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