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El profesor Takaashi Kajita, de la Universidad de Tokio Japón, y el profesor Arthur McDonald, de la Universidad de Kingston, Ontario Canadá, recibieron el Premio Nobel en Física 2015 este 10 de diciembre.
Ambos profesores dirigieron equipos de científicos, en Japón y en Canadá, para medir las oscilaciones de neutrinos creados en la atmósfera terrestre y en el interior del sol, respectivamente. Por dos métodos diferentes –en sistema experimental, en técnica, en sistema físico- se llegó a la misma indubitable conclusión: los neutrinos oscilan, cambian de sabor, a medida que se trasladan en el tiempo y en el espacio. Una propiedad muy singular de estas partículas del mundo submicroscópico.
Ésta es una descripción de los neutrinos, y de sus propiedades físicas, de sus oscilaciones y de los resultados científicos que han llevado a estos dos físicos a la fiesta científica más celebrada de la Ciudad de Estocolmo: La entrega de los Premios Nobel. En este caso, el Premio Nobel en Física.
I.
La historia de los neutrinos inicia alrededor del año 1900, cuando Antoine Henri Becquerel descubrió que de algunos materiales salen otras partículas muy energéticas de forma espontánea, invisibles al ojo humano, como fotones, electrones, núcleos de Helio, rayos X, entre otros. A este proceso se le llamó radioactividad natural. Son procesos en los que los núcleos atómicos cambian, o transmutan, dando origen a otros elementos, o a isótopos. Por estas investigaciones, Becquerel compartió el Premio Nobel en Física con Marie y Pierre Curie en 1903.
Un tipo de decaimiento radioactivo es cuando un electrón o positrón, o radiación beta como también se le llama, es emitido por un núcleo atómico. Por ejemplo, en el interior de un núcleo atómico un protón transmuta a un neutrón emitiéndose un positrón y otra partícula que actualmente se llama neutrino.
Cuando no se sabía de los neutrinos, y sólo se medía la energía del positrón, se llegaba a la conclusión de que había un faltante de energía, además que la energía del positrón no tenía siempre un valor fijo, sino toda una distribución. Algunos científicos, como Niels Bohr, de fama y prestigio mundial no tuvieron reparo en renunciar al principio de conservación de la energía en regiones nucleares. Era una propuesta muy radical.
Otros científicos como Wolfgang Pauli, prefirieron mantener el principio de conservación de la energía en reacciones nucleares y postular la existencia de otra partícula que se estaría emitiendo por el núcleo atómico y que no se estaría detectando. Este fue el caso. Y la historia de la física tomó otro rumbo, pero muy estable.
En una carta a ‘Las Damas y Caballeros Radioactivos’ participantes en la reunión anual de la sociedad de física, en el fin del año 1930, Pauli postuló la existencia de esa partícula muy elusiva, para poder explicar los resultados experimentales, es decir el espectro de energías del decaimiento beta de los núcleos atómicos.
Las damas y los caballeros radioactivos incluían a científicos como María Curie, Albert Einstein, H. Poincaré, y muchos otros científicos muy connotados. Y se excusaba por no poder asistir a la reunión de la sociedad de física porque tenía que asistir a una fiesta, o a una cita, ese mismo día.
Pauli le llamó a esa partícula neutrón. No es el neutrón de estos días. Esa partícula tendría masa cero, carga eléctrica cero, interactuaría con la materia muy escasamente, tendría energía y momento, y momento angular. Fue el físico italiano Enrico Fermi, en 1932, quien le llamó a esta partícula neutrino, que significa neutroncito, o pequeño neutrón, con sufijos italianos, como bambino –para referirse a un niño pequeño-, para distinguirlo del neutrón descubierto por esos años.
Con esta propuesta, Pauli pudo muy bien explicar las evidencias observacionales y experimentales conocidas en su tiempo. Pauli y Fermi recibieron el Premio Nobel de Física por sus contribuciones a la ciencia en 1945 y 1938 respectivamente.
El neutrino, en realidad el antineutrino, fue detectado por Reines y Cowan en 1956, en el ahora famoso experimento del reactor nuclear, del río Savannah, Georgia, Estados Unidos, después de más de 25 años de investigación científica, donde crearon la tecnología necesaria para este tipo de detección y medición.
El antineutrino es la antipartícula del neutrino; se produce en los decaimientos radioactivos de los núcleos atómicos, en las fisiones nucleares, que se dan en la corteza terrestre, en el cuerpo humano, en los reactores nucleares, y en muchos otros sistemas.
En las fusiones nucleares, como las que se dan en el interior de las estrellas, se producen neutrinos. Con sus trabajos Reines y Cowan iniciaron la física de los neutrinos como una rama importantísima de la física de estos días, y del siglo XXI. Reines recibió el Premio Nobel en Física de 1995 por detectar los antineutrinos, para ese año Cowan ya había muerto, los Premios Nobel no se otorgan post mortem.
Casi en paralelo con los trabajos de Reines y Cowan, Raymond Davis, Jr., físico estadounidense, en 1955, observó que los neutrinos provenientes de los reactores nucleares, es decir los antineutrinos, no transmutan el Cloro37 en Argón37, pero los neutrinos sí. Davis después usó esta reacción nuclear para detectar neutrinos provenientes del sol.
Los físicos estadounidenses Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger mostraron experimentalmente, en 1962, la existencia de un segundo tipo de neutrino.
Este neutrino proviene del decaimiento del muón negativo o positivo, una partícula que se fisiona espontáneamente en un electrón, un neutrino asociado al electrón y un neutrino asociado al muón. Los muones son partículas producidas en las capas altas de la atmósfera terrestre en el choque de rayos cósmicos con moléculas de la atmósfera; también se producen en los laboratorios de altas energías haciendo chocar protones con núcleos de Carbón para producir piones que decaen en muones y neutrinos asociados al muon.
Este trío de científicos ganó el Premio Nobel en Física, por la demostración experimental de la existencia de un segundo tipo de neutrino y por la tecnología creada para hacer este descubrimiento, en 1988.
Tengo el honor de conocer y haber hablado con el profesor Leon Lederman por algunas horas sobre variados temas de física. Este año cumplió 93 años de vida. Lo saludé en Fermilab este Junio, durante la reunión de usuarios de Fermilab. Él no soñó que podría haber un tercer neutrino.
Y sí lo hay. Hay un tercer neutrino. La Colaboración DONUT en Fermilab (https://www-donut.fnal.gov/) observó el neutrino asociado a la partícula tau en el año 2000. Este neutrino ya se había entrevisto desde 1974 en que Martin L. Perl logró crear y detectar el tau, una partícula emparentada con el muón y con el electrón. A este tipo de partículas, incluyendo a los neutrinos asociados, de les llama genéricamente leptones. Perl ganó el Premio Nobel en Física en 1995 por este descubrimiento científico y por sus contribuciones a la física de leptones.
Entonces hay tres clases de neutrinos en la naturaleza, o al menos son los que hasta estos días se han detectado. El neutrino asociado electrón, el neutrino asociado al muón, y el neutrino asociado al tau. Y por supuesto, los correspondientes antineutrinos. Tres clases de neutrinos, como hay tres clases de familias de partículas de la naturaleza. Cada clase de neutrino pertenece a una familia diferente.
El neutrino asociado al electrón está en la familia de las partículas elementales que conforman la materia de todos los días, que es estable, no vemos que desaparece; el neutrino asociado al muón está en la familia de partículas elementales que conforman materia que decae en tiempos del orden de 0.000 000 01 segundos (los científicos lo escriben así 1X10-8 s), se crean en las colisiones entre partículas y desaparecen, convirtiéndose en otras, como pompas de jabón; el neutrino asociado al tau está en la familia de partículas elementales que conforman materia que decae en tiempos de orden de 0.000 000 000 000 000 000 000 01 segundos (1X10-23 s), también se crean en colisiones muy energéticas entre partículas. Nadie sabe si existen más familias, ni por qué existen estas familias de partículas.
II.
Todo trozo infinitesimal de materia desempeña un papel fundamental en el devenir del universo, que si faltara, el universo no se vería igual a como lo vemos a diario.
Algunas partículas, como el protón, o el electrón, que forman la materia de todos los días, los científicos consideran que las entienden; no es así, muchas de sus propiedades permanecen hasta estos días como un enigma que los científicos trabajan para esclarecer. Algunas presentan propiedades que duran periodos muy cortos, o muy largos, como para detectarse y estudiarse con la tecnología actual.
El neutrino es una de muchas partículas que no se conocen del todo en estos días. En el experimento del profesor Raymond Davis Jr., él midió el flujo de neutrinos provenientes del sol y encontró que sólo llegaban a la superficie de la tierra una tercera parte del número predicho en el modelo estándar del sol, calculado por John N. Bahcall.
Con experimentos posteriores también se mostró que sólo se medía un tercio del número de neutrinos que deberían de estarse generando en el sol. Este problema se conoce como el problema de los neutrinos solares, permaneció como un problema abierto hasta estos días donde finalmente se resolvió.
Hay varias posibilidades que podrían presentarse para solucionar este problema: que el modelo estándar base para calcular el flujo de los neutrinos provenientes del sol fuera erróneo; que los cálculos estuvieran mal hechos; que las mediciones estuvieran mal realizadas; que los neutrinos cambiaran de identidad al ir avanzando en el espacio y en el tiempo, de tal forma que los neutrinos formados originalmente como neutrinos asociados al electrón cambiaran a neutrinos asociados al muon o a neutrinos asociados al tau, y por lo tanto fueran indetectables por lo métodos habituales; esta posibilidad se conoce como la oscilación de los neutrinos. La oscilación de los neutrinos es una de las propiedades más extrañas de las partículas.
III.
La posibilidad de demostrar experimentalmente que los neutrinos oscilan motivó más allá de lo indecible a la comunidad científica. Y en muchas partes del mundo se desarrollaron experimentos con esta meta.
Esta era la situación científica en la física de los neutrinos cuando los profesores Takaashi Kajita y Arthur McDonald iniciaron sus investigaciones en la física de neutrinos. Fuentes potenciales de neutrinos, o de antineutrinos, son los reactores nucleares, la atmósfera terrestre, el cuerpo humano, el sol, la corteza terrestre, los mares.
En el cuerpo humano se forman como 200 000 cada minuto. Hay como un millón de neutrinos reliquia, aquéllos formados en los primeros instantes de la creación del universo, en cada volumen del espacio del tamaño de un balón de futbol. Por cada centímetro cuadrado, lo que mide el área de la uña de su dedo índice, pasa un trillón de neutrinos cada segundo. El sol y la atmósfera terrestre son los más viables para ser usados de forma práctica como fuentes de neutrinos.
Toda partícula en este universo es enigmática. Pero hay unas partículas más enigmáticas que otras. El neutrino es una de las más enigmáticas. El número de neutrinos en el universo es mucho más grande que el número de átomos en el universo.
La interacción de los neutrinos con la materia ordinaria es muy débil, de 10 seguido de 42 ceros neutrinos interactúa 1 cuando chocan con la materia ordinaria; sin embargo tienen un papel central en la forja de los 118 elementos, conocidos hasta hoy en día, que conforman este universo; en los procesos de fusión nuclear que se dan en las profundidades de las estrellas, y que hacen que las estrellas brillen en el espectro visible al ser humano; tienen un papel central en las explosiones cataclísmicas de las etapas últimas de la vida de una estrella; quizá juegan un papel central en el curso que ha seguido la evolución del universo hasta estos días, constituido básicamente por materia y no de antimateria al menos en la vecindad del sistema solar; ésta podría ser la razón básica de la generación de la vida formada por materia.
Los fotones, la luz, que vemos provenientes del sol hace muchísimos años, cientos de miles de años, que se formaron en el interior del sol, pero los neutrinos que se detectan provenientes del sol hace sólo unos ochos minutos que se formaron, a menos que haya un forma de interacción que los retenga en las distintas regiones del sol.
Los resultados experimentales del profesor Raymond Davis Jr. fueron confirmados en otros experimentos como Kamiokande II, SAGE, Gallex, LSND, Super Kamiokande, SND. KamLAND, and K2K. Estos sistemas experimentales son muy sofisticados, tienen masas del orden de cientos de toneladas de materia para hacer que un neutrino -o antineutrino- choque con la materia ordinaria, detectarlo, y registrar las señales que deja con un sistema electrónico muy complejo formado por miles de canales de detección.
Cuando los neutrinos chocan con la materia ordinaria -Agua, Plomo, Fierro, Carbón, etc.- se forman diferentes trazas, o estados finales de la reacción nuclear que generan, que dependen del tipo de neutrino que colisionó con la materia.
Cuando un neutrino asociado al electrón choca con otra partícula puede cambiar a un electrón, en el estado final de la reacción habrá un electrón y el neutrino original desaparece; en las mismas circunstancias, un neutrino asociado al muón cambia a un muón; y un neutrino asociado al tau, a un tauón. Los neutrinos también pueden ceder energía a los electrones u otras partículas durante las colisiones y conservar su identidad, como cuando dos esferas de billar chocan, ambas son las mismas antes y después de choque.
Las trazas o rastros que los neutrinos dejan cuando pasan a través de los detectores dependen del tipo de neutrino que atraviesa los detectores, como las huellas que deja un caballo en la tierra son muy distintas a las que deja un oso; un montañista puede decir, con sólo observar las huellas del animal en la tierra, si pasó un oso o un caballo; los físicos también, con sólo observar los estados finales de las reacciones, las huellas de los neutrinos, pueden decir si pasó un neutrino asociado al electrón, o uno asociado al muón, o uno asociado al tauón.
La huella de un neutrino en un detector está tipificada como una región del detector sin rastro, un punto de interacción con alguna partícula, y una traza saliente, o unas trazas salientes, del punto de interacción. La traza puede corresponder a un electrón; en este caso el neutrino chocó con un electrón –como si fueran esferas de billar-, le transfiere energía, y el electrón sale disparado a través de todo el detector dejando huellas; es la única huella que deja el neutrino a su paso por el detector.
Los primeros resultados experimentales de Raymond Davis aparecieron en 1968. Los resultados finales aparecieron publicados en 1998, después de más de 40 años de mediciones. Con ellos quedó claramente establecido que un déficit en los neutrinos detectados con respecto a los predichos. Se detecta sólo un tercio de la cantidad predicha de neutrinos. Davis recibió el Premio Nobel en Física 2002 por sus resultados científicos.
IV.
A. B. McDonald, trabajando desde 1985, en el SNO (Sudbury Neutrino Observatory, http://www.sno.phy.queensu.ca/), observatorio de neutrinos solares, logró demostrar que el déficit de neutrinos que provienen del sol, que son neutrinos asociados al electrón, se debe a que los neutrinos oscilan hacia otros tipos, como el neutrino asociado el muon y neutrinos asociados al tau. Lo logró observando con el mismo detector los estados producidos por los neutrinos asociados al muon, y los asociados al tau. Los primeros resultados se publicaron en 2001 y 2002, mostrando la conversión de los neutrinos asociados al electrón a neutrinos asociados al muon y a neutrinos asociados al tau.
Takaashi Kajita liderea la colaboración internacional Super-Kamiokande. El experimento está basado en un gigantesco tanque de agua ultra pura -41.4 metros de alto y 39.3 metros de diámetro- que usa el efecto Cherenkov, principalmente, para detectar partículas. La construcción empezó en 1991; las observaciones, en 1996. Participa un equipo internacional de cerca de 110 físicos y 30 instituciones de Japón, Estados Unidos, Korea, China, Polonia, España, y Canadá.
Este experimento fue diseñado para estudiar las propiedades físicas de los neutrinos atmosféricos, los neutrinos solares y los neutrinos provenientes de reactores nucleares. Los resultados fueron reportados en 1998, 2001, y 2011. La conclusión fue indubitable: los neutrinos, de todos tipos, independientemente de su origen y generación, cambian de tipo, o sabor como se le conoce en la física, a medida que avanzan por el espacio.
En conjunto, los equipos de científicos liderados por A. B. McDonald y Takaashi Kajita demostraron de forma irrefutable que los neutrinos oscilan, es decir, cambian de estado o identidad, a medida que avanzan por el espacio.
Cada neutrino es como una combinación de los tres tipos de neutrinos –como un acorde es la superposición o combinación de tres tonos distintos, que se oyen como uno si fueran ideales y como no lo son se producen pulsaciones que se suceden en el tiempo-; a veces aparece uno, o a veces aparece otro, a medida que se desplazan.
Al final, cuando el desplazamiento es muy grande, aparece igual cantidad de neutrinos asociados al electrón, al muon, y al tau. Y si inicialmente el conjunto de neutrinos fue de un tipo, asociado al electrón y creado en el sol por ejemplo, al final habrá de los tres tipos, en la superficie de la tierra, en igual proporción. Esto resuelve el misterio de los neutrinos solares faltantes establecido en el experimento de Raymond Davis.
La solución encontrada experimentalmente fue propuesta inicialmente por los físicos rusos Pontecorvo y Gribov en 1969. Los neutrinos solares cambian de un tipo a otro a medida que se desplazan desde el sol a la tierra donde son detectados.
Que oscilen, implica que los neutrinos poseen masa. Y esta deducción contradice a la suposición básica de Pauli y de Fermi, y adoptada por el Modelo estándar de las partículas fundamentales, que la masa de los neutrinos es cero. Y significa un avance profundo en el entendimiento de la naturaleza y sus constituyentes.
Las reacciones de los científicos fueron muy diversas.
C.N. Yang, Premio Nobel de Física 1957, escribió el 11 de octubre 2002, unos días después de habérsele conferido el Premio Nobel de Física a Raymond Davis y a Masatoshi Koshiba por la detección de neutrinos cósmicos, lo siguiente:
“Yo no creo en la oscilación de los neutrinos aún después del experimento extremadamente difícil de Davis y el análisis extremadamente cuidadoso de Bahcall. Las oscilaciones, yo creí, nunca fueron llamadas.”
Sidney Drell escribió en una carta personal a Bahcall en Febrero del 2003 que “… el éxito del Modelo Estándar (de las partículas elementales) era muy apreciado como para renunciar a él.”
Con las citas anteriores se muestran dos aspectos de la ciencia, de la física en particular: no se basa en la autoridad de ninguna índole, ni en las preferencias y creencias personales de nadie, y transciende lo humanamente posible.
Los neutrinos oscilan, van de un estado a otro a medida que se desplazan por el espacio. Las implicaciones de esta propiedad de los neutrinos son temas de investigaciones actuales.
VI.
Cada experimento de los mencionados anteriormente cuesta decenas de millones de dólares; es una pieza de ingeniería única; es obra de cientos de físicos e ingenieros –mecánicos, electrónicos, eléctricos, computacionales, etc.-; es gloria nacional del país anfitrión; es un monumento al tesón humano por levantarse de la ignorancia y conquistar cumbres superiores del conocimiento de la naturaleza.
En México no tenemos esta física, ni esta ingeniería; tampoco la tradición en física para identificar y resolver problemas de frontera en física. Hay dinero suficiente como para invertirse en este tipo de empresas científicas, educativas y tecnológicas, que darían prestigio y autoridad a México, pero se desvían por otro tipo de intereses que no benefician al país.
Por estos extraordinarios resultados experimentales anteriores, A. B. McDonald y Takaashi Kajita recibieron el Premio Nobel de Física 2015; "for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass" (por el descubrimiento de la oscilación de los neutrinos, que muestra que los neutrinos tienen masa). http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/.
