Neutrinos, esas pequeñas y fantasmales partículas creadas en reacciones nucleares que atraviesan todo objeto material a su paso (gatos, personas, planetas) como si fuesen transparentes, son mis partículas favoritas. En este blog me he referido a ellos una y otra vez ya que son fundamentales en en muchos procesos en nuestro universo, muchos de ellos relevantes en nuestras vidas. Desde las reacciones nucleares en el Sol que nos proporciona energía en nuestro planeta hasta los procesos radiactivos usados en hospitales alrededor del mundo. Sin embargo, uno de los más grandes aportes de neutrinos a nuestras vidas es su rol protagónico en los procesos tempranos del universo, justo después del Big Bang, incluso podríamos deber nuestra existencia y la del universo a estos pequeñines, como una vez les llamó Leon Lederman.
Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998
Una de las grandes sorpresas de estos pequeños neutros fue revelada en 1998: los neutrinos tienen masa. Este descubrimiento llegó a ocupar la portada del New York Times. ¿Cuál es la sorpresa dirá usted? Bueno, el problema es que el Modelo Estándar, esa exitosa teoría física que explica el comportamiento de todas las partículas elementales con lujo de detalles predice que los neutrinos no tienen masa. Este descubrimiento es una prueba clara de que el Modelo Estándar tiene una falla. Siempre escuchamos que el bosón de Higgs era la última pieza para completar el puzzle que describe todas las partículas y que su descubrimiento en 2012 cerró este capítulo de la física de partículas, sin embargo algo que no se dice muy a menudo (al menos fuera de la comunidad de neutrinos) es que Modelo Estándar tiene una falla y los neutrinos son los culpables.
El descubrimiento de la masa de los neutrinos es indirecto, ya que se ha observado su efecto, llamado oscilación (que hemos discutido varias veces). Una de las grandes interrogantes actuales de la física de partículas elementales es cuál es la masa de los neutrinos. Diferentes experimentos han mostrado con seguridad que la masa de los neutrinos es pequeña, menor que una trillonésima de trillonésima de trillonésima de un kilogramo por lo que si fuese posible pesar un neutrino necesitaríamos una balanza muy (muy!) precisa. Además, la imagen que abre este artículo es sólo una representación, ya que los neutrinos nunca están en reposo, siempre se están moviendo casi a la velocidad de la luz, por lo que es imposible detener un neutrino y pesarlo. Entonces ¿cómo medir la masa de un neutrino?
Aquí es donde el ingenio y los experimentos a gran escala se unen. Antes de contar cómo se hará la medición, el otro día pensé en una analogía que puede ayudar.* Hace tiempo que he probado con analogías para explicar la temperatura negativa usando un vaso tapado con canicas, las cuasipartículas usando un banco de sardinas, el bosón de Higgs como aplausos bajo el agua, y las oscilaciones de neutrinos con helados, por lo que una vez más intentaré usar una analogía simple para explicar cómo medir la masa del neutrino.
* Advertencia: una analogía es una comparación de conceptos que puede servir para explicar una idea, hay que tener cuidado con sacar conclusiones basadas en una analogía ya que esta puede sólo ser válida para una idea en particular.
Sandías y duraznos
Supongamos que nos dan una bolsa cerrada con una masa de 2.2 kg, que en su interior contiene una sandía de 2.1 kg y un durazno, y se nos pide determinar la masa de la semilla del durazno. La solución es simple: con un cuchillo cuidadosamente sacamos la semilla del durazno y la pesamos. Fin.
Hagamos que el problema sea más difícil: al sacarla con el cuchillo, sin importar cuán cuidadosos seamos la semilla se nos resbala de las manos y se pierde, por lo que no podemos pesarla. En este caso la medición puede hacerse de manera indirecta: como sabemos la masa total de la bolsa cerrada (2.2 kg) y la masa de la sandía (2.1 kg), entonces podemos inferir que la masa del durazno con semilla es 0.1 kg (100gr), sólo basta con pesar el durazno sin su semilla y la diferencia será el número que buscamos:
…………….masa semilla = masa durazno con semilla – masa durazno sin semilla
…
Sin embargo hay un problema: cuando sacamos la semilla, ésta sale con un poco del cuerpo del durazno, es imposible sacar la semilla si perder algo de durazno, por lo que el número que obtendremos será algo mayor al que buscamos. Una medida precisa requiere sacar la semilla dañando al durazno lo menos posible. Por lo que una buena medición requiere repetir el experimento varias veces (asumiendo que todos los duraznos son iguales): sacamos la semilla a un durazno y lo pesamos, a veces dañaremos mucho el durazno, otras veces no mucho; si el durazno sin semilla pesa muy poco comparado con su peso original (con semilla) sabemos que la semilla se llevó un buen resto de durazno, por lo que no nos sirve; repetimos el proceso varias veces y sólo seleccionamos aquellos duraznos que han sido dañados levemente, es decir, aquellos en los que la semilla se lleve muy pocos restos de durazno. Si hacemos esto un par de veces será simple, pero supongamos que repetimos el proceso millones de veces, en este caso será necesario un colador que nos ayude a seleccionar los que pesan más y que deje a un lado los duraznos sin semilla que pesan poco, así sólo usando los duraznos menos dañados selecionados por el colador podremos obtener una medida precisa de la masa de la semilla.
Neutrinos y el tritio
Como mencionaba antes, los neutrinos son creados en reacciones nucleares, por ejemplo en una desintegración beta, en la que un neutrón en un núcleo radiactivo espontáneamente se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino (que tiene la misma masa que un neutrino). El gran Enrico Fermi cuando desarrolló la teoría de las desintegraciones nucleares en 1934, se dio cuenta que si conocemos la masa del núcleo que se desintegra y la masa del nuevo núcleo creado, gracias al principio de conservación de la energía sólo bastaría con medir la energía del electrón emitido para inferir la masa del neutrino, similar a nuestra medida indirecta de la masa de la semilla de durazno. Años más tarde, Fermi se encontraba ocupado en el desarrollo experimental de la física nuclear cuando en Chicago construyó el primer reactor nuclear en 1942.
Emil Konopinski
Uno de los físicos en el equipo de Fermi era Emil Konopinski, un joven y brillante teórico de Indiana que luego se trasladó a Los Alamos para trabajar en el Proyecto Manhattan. Cuando se planeaba probar la primera bomba atómica (prueba Trinity), el mismo Fermi consideró seriamente que la alta temperatura de la explosión podría iniciar una reacción termonuclear (como las que mantienen al Sol brillando) en nuestra atmósfera, lo que tendría consecuencias catastróficas. A Konopinski se le designó calcular (junto a Edward Teller) esta posibilidad, concluyendo que esto no ocurriría y que el planeta estaría a salvo. Teller tenía la curiosidad de saber si el calor generado por una bomba atómica podría usarse para iniciar una reacción termonuclear, por lo que propuso a Konopinski estudiar en detalle el elemento más liviano de la tabla periódica: hidrógeno (y sus primos más pesados el deuterio y el tritio). Los cálculos de Konopinski y Teller mostraron que el deuterio y el tritio bajo ciertas condiciones sí podrían generar una reacción termonuclear, lo que sentó las bases de la bomba de hidrógeno (H). Después de la Segunda Guerra Mundial, el proyecto de la bomba H fue dirigido por Teller en el recién establecido Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) en California; Konopinski abandonó Los Alamos para volver a enseñar en Indiana.
Desintegración beta del tritio
Hace unos años la universidad me dio un premio por docencia llamado Konopinski Award, y honestamente en ese momento desconocía el trabajo de este físico. Leyendo un poco aprendí que después de la guerra regresó a su puesto de profesor acá en Indiana University y en 1947 publicó un importante resultado: motivado por sus estudios sobre el tritio (que es un isótopo radiactivo del hidrógeno formado por un protón y dos neutrones), Konopinski retomó la idea de Fermi y demostró que la desintegración beta del tritio podría usarse para determinar un límite superior a la masa del neutrino. En el mismo paper muestra que la masa del neutrino debe ser muy pequeña, 30 veces más liviano que el electrón (o menos). Además demostró que por sus propiedades, el tritio sería el elemento ideal para medir la masa del neutrino en futuros experimentos.
Cómo funciona: el tritio equivale a la bolsa con la sandía y el durazno en la analogía, la sandía es el núcleo de helio-3 creado cuando el tritio se desintegra y la escurridiza semilla del durazno representa al antineutrino, que escapa sin ser detectado. El durazno representa la energía del electrón que puede ser medida. 
Igual que en la analogía, para obtener una buena estimación de la masa del antineutrino (la semilla del durazno) se necesitan sólo aquellos electrones con mucha energía (duraznos menos dañados al quitarles la semilla), para lo cual necesitamos un aparato que los filtre, un colador que sólo analice los electrones interesantes para nuestra medición. Este colador actúa como una barrera que rechaza los electrones de poca energía porque si el antineutrino se lleva mucha energía es equivalente a una semilla que sale con muchos restos de durazno. Este filtro sólo deja pasar los electrones de alta energía (en estos casos el antineutrino se lleva muy poca energía). Contando los electrones de alta energía producidos por la desintegración de tritio es posible inferir la masa del neutrino, igual que en la analogía es posible inferir la masa de la semilla del durazno.
La crisis de la nasa del neutrino
Siguiendo la sugerencia de Konopinski, varios experimentos se diseñaron para inferir la masa del neutrino midiendo cuidadosamente la desintegración del tritio. Estos experimentos no miden directamente la masa m del neutrino, sino que el cuadrado de la masa m2. En la carrera internacional por medir la masa del neutrino usando esta técnica competían diversos experimentos en China, EE.UU., Japón y Suiza. Mezclas de tritio con otros materiales se usaron como fuentes sólidas de tritio, pero los resultados eran algo sucios (contaminados con fuentes de error). En los años 80 un equipo en Los Alamos, donde décadas antes Konopinski había comenzado a pensar en el tritio, desarrolló un método para usar este elemento en estado gaseoso, lo que mejoró notablemente las mediciones.
Espectrómetros de los experimentos Mainz y Troitsk
Paralelamente, en Oxford se desarrolló un filtro electromagnético, el que fue reinventado para recolectar los electrones de alta energía emitidos por la desintegración del tritio y rechazar los de baja energía, que podría funcionar como el colador de duraznos en la analogía. Este aparato realiza lo que se denomina colimación magnética adiabática con filtro electrostático o más breve MAC-E (por su sigla en inglés), al que simplemente se le llama el espectrómetro. Este es un cilindro alargado con muchas bobinas en una configuración especial alrededor del cilindro que crean los campos electromagnéticos necesarios para recolectar los electrones de alta energía emitidos por la desintegración del tritio y medir su energía en un detector. A mediados de los años 80, Alemania y la Unión Soviética se sumaron a la carrera; los dos equipos de físicos diseñaron sus propios espectrómetros de este tipo (filtros MAC-E) dándoles ventaja sobre los otros competidores, uno en la universidad alemana de Mainz y otro en el laboratorio ruso de física nuclear en Troitsk. Mientras, el experimento de Los Alamos (que no usaba esta tecnología) recolectaba datos y unas semanas antes de que Guns N’ Roses’ debutara con Appetite for Destruction (en 1987), este equipo presentó sus resultados: curiosamente encontraron un valor negativo de m2 lo que no tiene sentido (el cuadrado de todo número real siempre es positivo), sin embargo los errores asociados con la medición no permitían una conclusión de ningún tipo y el valor negativo de m2 quedó como una curiosidad. Aunque con baja significancia, la curiosidad se transformó en preocupación cuando experimentos usando otros métodos también favorecían un valor negativo de m2.
Konopinski murió en 1990. En ese tiempo se esperaban con ansias los resultados de los experimentos en Mainz y Troitsk. La sorpresa fue mayúscula cuando al año siguiente ambos experimentos también encontraron experimentalmente que los neutrinos parecían tener un m2 negativo, como si el neutrino fuese un taquión (partículas hipotéticas que se moverían más rápido que la luz). Estos resultados fueron tan extraordinarios como el anuncio de los neutrinos superlumínicos en OPERA. Al igual como ocurrió en 2011, mucho escepticismo rondaba y se llamó a proponer soluciones para el problema, sin embargo otros experimentos usando métodos alternativos encontraron el mismo resultado! El Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) en EE.UU. tenía una gran experiencia en el manejo del tritio ya que era el centro del desarrollo de armas termonucleares (Edward Teller fue su primer director), así como Los Alamos lo fue durante el Proyecto Manhattan. Allí, un nuevo experimento fue construido, que al usar técnicas diferentes serviría para clarificar el problema del m2 negativo; la comunidad esperaba con ansias los resultados para resolver el problema. En octubre de 1995, cuando la comunidad científica todavía celebraba el descubrimiento del primer planeta extrasolar anunciado hacía unos días, la prestigiosa revista Physical Review Letters publicó el resultado del experimento LLNL dejando a todos desconcertados: se midió un m2 negativo con una significancia de más de 6σ (recordemos que por convención, 5σ es la significancia mínima para declarar un descubrimiento). En este caso, la observación era tan radical que no se declaró descubrimiento alguno, no hubo celebración, sólo desconcierto, los neutrinos tenían a los físicos viviendo una crisis. Sin la conectividad de hoy en día, esta noticia no causó el impacto mediático de los neutrinos de OPERA, es necesario recordar que esto ocurrió en 1995, cuando el transbordador Atlantis se acoplaba por primera vez a la Estación Espacial MIR y apenas comenzaba la segunda temporada de Friends. La crisis aumentaba, esta vez no había cables sueltos a los cuales culpar como error de medición. La comunidad estaba tan desconcertada que en mayo de 1996 Harvard invitó a todos los físicos que tuviesen ideas para debatirlas en una conferencia llamada Tritium Beta Decay Spectrum: The Negative Neutrino Mass-Squared Issue (algo así como el problema del valor negativo del cuadrado de la masa del neutrino en la desintegración del tritio). Físicos teóricos y experimentales de todo el mundo acudieron a la reunión para exponer ideas, sugerir mejoras, proponer nuevos métodos para analizar los datos, de todo. Durante esos años muchas ideas exóticas fueron inventadas para intentar explicar la anomalía, curiosamente más de una década antes mi supervisor de tesis había planteado (junto a sus colaboradores) la posibilidad de que el neutrino podría ser un taquión cuando era postdoc en Los Alamos. En ese paper incluso muestran un esquema idéntico a los datos experimentales ahora observados en el experimento LLNL.
La conclusión fue mejorar las mediciones e incorporar varios efectos muy pequeños pero que no habían sido considerados, en particular pequeñas modificaciones producidas por el helio-3 creado en la desintegración del tritio en el experimento, con la esperanza de que el resultado anómalo desapareciera.
Con el pasar del tiempo, los experimentos más precisos (Mainz y Troitsk) acumularon muchos años de datos y además de reanalizaron cuidadosamente los datos antiguos usando modernas técnicas. Se mostró que el desconcertante valor negativo del cuadrado de la masa del neutrino se acercaba a cero (dentro del margen de error). El consenso actual es que vibraciones de las moléculas de helio-3 habrían causado señales erróneas en los detectores. Mainz presentó su análisis final en 2005, el que resultó compatible con los resultados finales de Troitsk en 2011. Algo que de lo que no se habla es por qué otros experimentos independientes también midieron un valor anómalo. Simplemente se atribuye a un error experimental en muchos experimentos que usaban técnicas algo primitivas, pero nadie quiere tocar ese tema. Se trataba de un resultado experimental vergonzosamente en contra de la teoría, sin embargo son estas crisis las que producen avances en la ciencia, así es como se construyen métodos para aumentar nuestro conocimiento.
El futuro: KATRIN
La masa del neutrino sigue sin medirse, todos los experimentos sólo lograron una cota superior: el neutrino tiene una masa menor a un millonésimo de la masa del electrón (bastante más preciso que el valor obtenido por Konopinski en 1947). Con los años fue claro que un moderno y más sensible experimento sería necesario. Para esto los equipos de Mainz y Troitsk trabajarían juntos para compartir lo mejor de cada uno de estos experimentos, además de escalarlo a un tamaño mayor. La colaboración incluye físicos de varios países, incluyendo Alemania, EE.UU., Gran Bretaña, República Checa y Rusia. Dada lo pequeña que parece ser la masa del neutrino se necesita un colador muy sensible, muy fino. Cálculos mostraban que un filtro MAC-E aumenta su sensitividad con el diámetro del cilindro usado y además las bobinas requieren un cilindro alargado. El espectrómetro de Mainz y Troitsk tenían un diámetro de algo más de un metro, el nuevo experimento contaría con un espectrómetro enorme. También se planeó usar tritio gaseoso (idea desarrollada por el equipo de Los Alamos) y ultra puro para evitar errores experimentales y recolectar más datos en menos tiempo. La única fuente en el mundo de tritio de alta pureza se encuentra en el laboratorio del Karlsruher Institut für Technologie (KIT) en Alemania, por lo que se escogió este lugar para instalar el nuevo experimento llamado Karlsruher Tritium Neutrino experiment (KATRIN).
KATRIN es un coloso de 70 m de largo, lo que incluye una larga fuente de tritio fabricada con imanes superconductores (como los que guían los protones del LHC), donde los electrones creados son transportados por poderosos campos magnéticos hacia filtros para remover toda impureza incluyendo helio-3, hasta llegar a un pequeño MAC-E llamado pre-espectrómetro que remueve más del 99% de los electrones que tienen baja energía y el 1% restante pasa al espectrómetro principal, que tiene 10 m de diámetro y 23 m de largo. Aquí se filtran delicadamente los electrones y sólo se deja pasar a los que sirven para la medición de la masa del neutrino en el detector, en el otro extremo.
Esquema de las secciones de KATRIN: sólo uno de cada 10.000 millones de electrones llega al detector
La construcción de KATRIN ha tomado varios años y debido a los exigentes criterios tecnológicos ha batido varios récords durante su construcción. Muchas nuevas tecnologías fueron creadas para satisfacer los criterios de pureza y limpieza necesarios para una medición tan delicada. La sección que más desafíos requirió es el gran espectrómetro, fabricado entre 2004 y 2006 por una empresa dedicada a fabricar tanques para reactores químicos en la ciudad de Deggendorf, junto al río Danubio. Debido al alto costo de cerrar 400 km de carretera hasta Karlsruhe (ubicado junto al río Rin) para transportar el enorme espectrómetro, se optó por montarlo en una barcaza. Debido a su tamaño los pequeños canales para pasar del Danubio al Rin fueron descartados por lo que el espectrómetro tuvo que tomar un pequeño desvío: el 26 de septiembre de 2006 comenzó su transporte por el Danubio hasta el Mar Negro, luego en un barco mayor se pasó al Mediterráneo, cruzando el estrecho de Gibraltar bordeando Portugal para navegar hasta la costa holandesa donde pudo ingresar al río Rin que lo llevó hasta Karlsruhe:
En vez de 400 km, el espectrómetro recorrió 9.000 km durante 2006, en muchos lugares pasando a sólo centímetros de los puentes. En varias ciudades era esperado por mucha gente que salió a su paso, sin embargo el espectáculo mayor ocurrió luego de su desembarco en la localidad de Leopoldshafen ubicada entre el río Rin y el laboratorio, al norte de Karlsruhe. La fría mañana del 25 de noviembre unas 3.000 personas se reunieron junto al río para ver cómo una enorme grúa movía el plateado tanque con aspecto de submarino o zepelín que parecía sacado de una película de ciencia ficción. En Leopoldshafen la gente se lanzó a las calles para ver el coloso transportado lentamente por la calle principal a centímetros de sus casas escoltado por policías, muchas personas podían tocar el espectrómetro desde sus ventanas. Como preparación, a muchos árboles se les cortó sus ramas días antes, otros fueron curvados con cuerdas y algunas señales de tránsito debieron ser removidas. Fue toda una fiesta en este pequeño pueblo que quedó registrado en varios videos:
Un informativo video también puede encontrase en este link (en inglés). La imagen más icónica de KATRIN justamente muestra el espectrómetro en las calles de Leopoldshafen (esta imagen aparece en cada conferencia de neutrinos desde 2006)
El espectrómetro principal se encuentra instalado en el laboratorio de KIT. En estos años, varios otros de los componentes han sido terminados e instalados. KATRIN se encuentra tomando datos para calibrar su gran espectrómetro y se espera que los últimos componentes se instalen en los próximos meses.
Estas no son imágenes de una película de ficción: instalación de los componentes en el interior del espectrómetro principal
Este es considerado unos de los más importantes experimentos en física de partículas y muchos ojos están puestos en KATRIN. Seguimos sin conocer la masa del neutrino pero hay mucha confianza en que KATRIN responderá esta pregunta en pocos años. Muchos se preguntan qué pasaría si se observa un m2 negativo; aunque poco probable, sería muy interesante y abriría un debate frente a un tema que fue muy controversial hace una década.
En unas semanas parto a Karlsruhe a comenzar una posición postdoctoral, estaré en el instituto donde se encuentra KATRIN y espero con ansias que los datos no tarden en llegar, sería un agrado contar desde el centro de la noticia que algo interesante ha sido encontrado. Este instituto cuenta como uno de sus ex-alumnos ilustres a Edward Teller, quien hizo a Konopinski pensar en el tritio durante el Proyecto Manhattan. El otro día con mi supervisor de tesis discutíamos detalles de un paper que publicamos recientemente sobre desintegración del tritio; mientras escribía fórmulas en su pizarra me dijo: «¿sabías que esta era la oficina de Konopinski? El paper original del tritio fue probablemente escrito en esta oficina, y de aquí te vas a Karlsruhe donde KATRIN usará este principio. KATRIN es una maravilla tecnológica de la que Konopinski estaría orgulloso».
Actualización (Julio 2014): tuve la oportunidad de visitar KATRIN, acá la historia y fotos.
Una vez más… la ciencia supera a la ficción.
Imágenes: New York Times, Indiana University, Helmholtz Association, Amblin Entertainment.
Conexión causal 
Pingback: La masa del neutrino: una crisis y el futuro
hola Jorge, no entiendo el concepto de que el Modelo Estandar tiene una falla. ¿como es posible que la fisica hoy funcione bien siguiendo este modelo, sabiendo que tiene una falla? Tenia entendido que el bosón de Higgs solucionaba esta problema de las particulas sin masa pero se ve que estoy errado. Cabe aclarar que soy un simple aficionado a la fisica.
Saludos,
Joaquin.
Hola Joaquín,
Buena pregunta. El Modelo Estándar tiene una falla, pero eso no significa que haya que tirarlo al basurero, después de todo funciona de manera espectacular describiendo las interacciones de todas las otras partículas. Incluso las interacciones entre electrones y quarks con los neutrinos están bien descritas por el Modelo Estándar. El único problema es la masa de los neutrinos.
El campo de Higgs (no el bosón!) permite entender cómo partículas como electrones y quarks adquieren masa, sin embargo en el Modelo Estándar los neutrinos no interaccionan con el campo de Higgs y por esto se quedan sin masa. Existen varias (muchas) ideas para extender el Modelo Estándar agregando nuevas partículas y cosas así para que neutrinos «se comuniquen» con el campo de Higgs de manera indirecta y poder así explicar su masa, sin embargo por ahora estas ideas permanecen sin verificación experimental y aunque se verifiquen corresponden a lo que se llama «física más allá del Modelo Estándar».
Perfecto, ahora creo entenderlo mejor. El hecho de que los neutrinos no interaccionan con el campo de Higgs era lo que me confundia un poco. Hace ya un tiempo que sigo el blog pero algunos conceptos todavia me cuesta entenderlos. Sigan por este camino.
Es una entrada completa y brillante. Leerla ha sido un verdadero lujazo.
Gracias
Muchas gracias Laura por tus palabras, la verdad la pasé muy escribiéndola y haciendo los diagramas.
Magnífica entrada, fácil de entender, muy completa y además había visto en una ocasión los vídeos del viaje del espectómetro pero no lo tenía puesto en contexto. Me ha encantado. Mucha suerte en Karlsruhe.
Me alegro te gustara, como le decía a Laura más arriba, la pasé muy bien contando esta historia algo desconocida. Hace mucho que quería plasmarla con algo de dramatismo. Ahora que las vueltas de la vida me llevan al hogar de KATRIN me sentí con la obligación de hacerlo. Gracias por los buenos deseos. Un saludo.
Jorge nuevamente he quedado impresionado y fascinado con este nuevo articulo tuyo, no me queda mas que desearte suerte y éxito en este nuevo viaje que emprendes y deseo seguir leyendo estos articulos que tanto aumentan mi entusiasmo y el de muchos más por la fisica
Gracias Daniel. Creo que estas historias son fascinantes, al descubrirlas leyendo papers es imposible no sentir ganas de contarlas. Me alegra que estos artículos sean motivantes, ojalá tuviese más tiempo para escribir más seguido. Gracias por los buenos deseos, seguiré escribiendo desde «el otro lado del charco».
Hola Jorge. Quería comentarte una idea que tengo por si te sirve de utilidad en tus investigaciones. Yo no soy físico, pero he estado pensando en este tema durante casi siete años y tengo un interés personal en que se avance en ello por otros motivos, ya que creo que es la clave para explicar los mecanismos que dan lugar a las mutaciones genéticas, que es lo que a mi me interesa. En mi opinión los «núcleos atómicos» están formados por la intersección de al menos dos campos (cada uno asociado a una masa) que varían periódicamente. Esta intersección crea cuatro campos nuevos, dos en el plano vertical y dos en el horizontal, opuestos cada uno respecto al otro. Así los «núcleos atómicos» no estarían situados en el interior de la materia, si no en la intersección de sus campos. Estos campos pueden tener masas dentro o no. Las cargas eléctricas se explican como las variaciones y desplazamientos que se dan en estos campos al variar los dos que los crean con su intersección. Respecto al neutrino: si los dos campos intersectados varían con fases opuestas, cuando uno está contraído el otro está expandido, el campo que se ha creado en el plano horizontal y que se encuentra dentro del campo expandido no tiene ninguna presión sobre él, al contrario que su campo opuesto. El campo con la menor presión sería un neutrino o un antineutrino, dependiendo del lado en el que esté, y el campo con la mayor presión será un protón o un neutrón, dependiendo también de lado en el que esté. En este caso de fases de variación opuesta, la asimetría electrónica (los electrones compartidos serían el campo en el plano vertical superior) estará desplazada hacia el lado opuesto al campo sin presión; así los electrones estarían en el lado opuesto al neutrino (o si son «positrones» por desplazarse el campo hacia el lado opuesto, serían estarían en el lado opuesto al antineutrino) Para mi los campos intersectados que varían son campos de gravedad que varían periódicamente. Para mi la gravedad es una fuerza de presión. Como verás me expreso en un lenguaje de andar por casa, pero si consigues entender lo que quiero decir estoy seguro de que te tiene que servir de inspiración. El que la gravedad se considere insignificante a nivel atómico es algo que no me creo, la constante de Plank expresa una aceleración… Mucha suerte.
Alfonso.
Hola Alfonso,
gracias por tu mensaje. Sólo quería respetuosamente aclarar algunos puntos.
Las ideas en física no se basan en opiniones sino que en estructuras matemáticas autoconsistentes, con poder predictivo y de acuerdo con resultados experimentales ya conocidos. No basta con elaborar una idea que sólo se aplica a un caso particular pero que no permite entender algo más, o peor aún, que no permita entender lo que ya sabemos.
Si piensas que tu idea tiene de verdad una estructura consistente, que permite entender todos los fenómenos que ya conocemos y además posee poder predictivo, deberías escribirla y enviarla a un journal para su publicación, es la única manera que pueda ser transmitida a la comunidad científica si quieres que sea considerada con seriedad. Éxito.
Al final me dices «El que la gravedad se considere insignificante a nivel atómico es algo que no me creo», sin embargo, que alguien crea o no un resultado es irrelevante cuando se trata de ciencia. Por último, señalas que «la constante de Plank expresa una aceleración», lo que no es correcto, a constante de Planck no expresa una aceleración, es momentum angular.
Un saludo.
Hola Jorge, soy un estudiante de física. Estoy haciendo mi Maestría en Inglaterra pero quiero cambiarme a Estados Unidos ¿me podrías orientar en algunas dudas que tengo somo recomendaciones que me puedas dar para hacer mi aplicación a alguna universidad de los Estados Unidos? Quiero hacer un doctorado en física de partículas.
Hola Francisco,
en la sección «Quénes somos» puedes encontrar mi información de contacto, siguiendo la información de contacto encontrarás mi correo electrónico.
Pingback: KATRIN y la medida de la masa del neutrino | La Ciencia de la Mula Francis
Pingback: Partículas | Annotary
Déjame cambiar la teja rota; antes que llueva. Primero: Lo que escribiré, es una opinión personal; y el autor del log no es responsable de nada. Segundo: Cuando comento en un artículo; es porque creo que es excelente, motivador,… y merece la pena emplear mi escaso y tortuoso tiempo haciéndolo. Tercero: Felicitar al autor por el artículo, y que Dios lo bendiga en su nuevo trabajo.
Decir, que todo artículo de investigación serio, que este en la frontera del conocimiento físico actual, tiene una gran incertidumbre; debido a que no hemos tenido la imaginación física(teórica) suficiente, para saber que es la gravedad, sus escalas; que son los neutrino; ni la estructura interna de los electrones (ni uno, ni otro, son ondas/partículas y mucho menos partículas/puntos ). Por estos todos nuestros recurso deben estar orientados a desarrollar nuestra imaginación experimental.
Escudriñemos rapidito este escrito, con física escolar.
«Sin embargo, uno de los más grandes aportes de neutrinos a nuestras vidas es su rol protagónico en los procesos tempranos del universo, justo después del Big Bang,…»
El Big Bang no es ni hipótesis; más bien una tautología entre el CMB y unas teorías metafísicas-matemáticas, por las que no se puede apostar nada; ya que están basadas en el espaciotiempo-junto. Y es espaciotiempo-junto, es físicamente, como un suéter(para algunos) insustancial, e inmedible,… Ahora, el CMB; ningun fisico hasta ahora ha tenido imaginación física para modelarlo correctamente, porque no saben, entre otras cosas, la verdadera causa que lo origina. Lo que hizo Planck, y sus antecesores, es una estafa; ya que por ser los fotones partícula indistinguibles, con su método de análisis, nunca podrán saber de donde proviene cada cuanto electromagnético detectado, dadas sus características físicas individuales, e interacciones interestelares. Entiendese como; galacia, 1er plano, 2do plano,…así hasta esos famoso primeros tiempos. Eso solo sería posible, si el CMB, estuviera en el visible (otro dia se los explico). Ese y otros fracasos basados en estas mismas ideas los adelante con tiempo. Olvidense de las teorías, lo que prohíben razones físicas de peso; si se es consecuente con la naturaleza y el método científico, no hay quien lo cambie.
Ningún experimento ha demostrado que los neutrinos tienen masa. Ya que no es legal físicamente, usar teoría de mezcla de estados ligados; en entes libres.
La oscilación de neutrinos tampoco ha sido observada. Porque como ya dijistes, todos los neutrinos de diferentes orígenes, lo atraviesan todo, y son más numerosos que las partículas masivas, que son las mismas que utilizas para detectarlos. Así, que detectar un neutrino de otro tipo, en cualquier detector, solo sirve para armar escandalos mediaticos (más bien semánticos, la especialidad del físico actual), y eso no concluye nada. Ellos andan por doquier, vienen de todas partes y lo atraviesan todo. La oscilación de neutrinos es una idea para no comprometer el modelo teórico solar, o la física de partícula que lo acompaña. Lo único real es que según el modelo solar debían llegar una cierta cantidad y en los experimentos se detectan menos. Pero como no tenemos imaginación física para crear otro modelo, u explicacion coherente con los resultados experimentales, pues se asumen que los que faltan oscilan, hacia otros tipos. Eso no es posible físicamente (eso solo es posible en la cabeza de un metafísico-matemático), porque ningún ente físico libre, puede oscilar espontáneamente, a otro ente físico de más o menos energía; sin emitir o absorber algo. Es decir, puede violar espontáneamente, el principio de conservación de la energía, del momento lineal, angular y otras cosas que me reservo; sin que pase nada. Otra limitación física (no matemática) es que cada tipo de neutrino, por leyes físicas inviolables, debe ser detectado por un detector diferente. No termine de leer el articulo; pero creo que tu mismo lo explicas. Y cada detector de neutrino, como mínimo, para que sea regular, debe ser más grande que una caza; algo enorme para la cantidad y tamaño de los mismos.
«menor que una trillonésima de trillonésima de trillonésima de un kilogramo»
No se porque los divulgadores siguen sacrificando la notación científica, que además de ser la oficial, es tan sencilla; por estos chorizos que casi nadie puede entender o concientizar. O tendrian que tomar el tiempo que usarían para leer otras cosas también interesantes, el ver que significa esto en realidad.
«Contando los electrones de alta energía producidos por la desintegración de tritio es posible inferir la masa del neutrino, igual que en la analogía es posible inferir la masa de la semilla del durazno»
Esto no es una buena práctica experimental en física, es un sesgo subjetivo (cuantos llevan ya, montando uno sobre los otros,…?) ; porque estás asumiendo de antemano que tienen masa. Para que te resulte a través de su relación con la energía. Lo mismo, no prueban nada, ya que persisten las mismas dudas razonables. Me explico mejor, esa misma metodología experimental, de medir la energía, se la puedes aplicar a cuanto electromagnético, en su interacción con un electrón, por ejemplo, en un efecto Compton, y no puedes decir que mides masa del fotón. Al no ser que supongas de antemano que los cuantos electromagnéticos tienen masa. Es lo mismo que hacen muchos por ahí; y que los fisicos oficialistas dicen que es ilegal.
http://cuentos-cuanticos.com/2013/05/02/el-foton-y-la-masa/
Es mucha la doble moral física de los metafísicos-matemáticos actuales! Ellos hasta pueden violar las leyes de conservación; pero se lo tienen prohibido a los demás magufos. Así que todo lo que supongas a partir de ese supuesto; que es lo que hay que demostrar primero, que tienen masa; es sólo una frase que todos desean escuchar. Por lo que da lo mismo si es cuadrado o no; el problema está antes. Lo mismo que Planck, el problema está antes de la boca del telescopio, es físico, no metafísico-matemático. Oh, masa; me olvidaba, otra cosa que ustedes tampoco saben qué es; y tiene que introducirla desde afuera. Cosa que siempre que halla interacción, o resistencia al movimiento; será posible convertirla a masa efectiva interior, desde el exterior. Un viejo metodo de asignacion (asignacion no es realidad, es un causisimil)
“la prestigiosa revista Physical Review Letters publicó el resultado del experimento LLNL matemática imnatural del estado sólido y otras fisica,… dejando a todos desconcertados: se midió un m2 negativo con una significancia de más de 6σ «
OK, taquiones! Recuerdo cuando lo de los neutrinos delincuentes del Gran ErorSasso, que los fisicos oficialistas, prooficialistas y la comparsa de figurines que los acompañan; decían que la invarianza de Lorentz no podía ser violada. Es como decir, yo soy la naturaleza o Dios, ordeno y mando de antemano, sin poder demostrar; lo que existe o no existe. Eso es ridículo para el que haya leído algo de historia de la físicas. Yo siempre dije, que al estar los valores de la velocidad de los neutrinos, solapada en el rango de «c»; el experimento no tenía poder separador para decirnos nada. Al final gane, en mi archivo de comentario estan las pruebas, y hubo que reconocerlo; aunque claro, a regañadiente, a medias, o diciendo disparates sin lógica científica como este.
1-Por cada electrón, protón y neutrón del universo hay 10^9 neutrinos.
2-Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo, tras los fotones.
Estimado Jorge:
Gracias por tu interesante artículo. Tengo algunas pregunta, te agradezco de antemano cualquier respuesta. Según entiendo, los neutrinos pueden «cambiar», ergo el tiempo pasa para ellos y por relatividad, se mueven ligeramente más lento que la luz, lo que implica que tienen masa en reposo. ¿Cuál es el principal experimento que confirmó ésto (el cambio)? ¿Es acaso el de los neutrinos solares?¿Por qué no pudieron sacar una cota inferior para la masa de aquéllos experimentos?
Gracias.
Hola Andrés,
Me alegro te gustara el artículo. Respondo tus preguntas: sí, los neutrinos cambian de sabor cuando se propagan, este fenómeno se llama oscilación y ha sido verificado en neutrinos solares, neutrinos atmosféricos, neutrinos de acelerador, y neutrinos de reactor; es decir, estamos seguros de que es un efecto real. El primer experimento que entregó evidencia firme (6.2σ) fue Super-Kamiokande, justamente este descubrimiento es mencionado al principio del artículo, con la portada del New York Times de 1998.
Tu segunda pregunta es muy buena, permíteme refrasearla: si las oscilaciones son una consecuencia de la masa de los neutrinos, ¿por qué no se mide la masa de los neutrinos usando oscilaciones?
Resulta que las oscilaciones son insensibles a las masas absolutas, las oscilaciones sólo permiten medir la diferencia entre las masas (en realidad es la diferencia del cuadrado de las masas), pero no la masa misma. Las oscilaciones implican una diferencia no nula entre las masas, y por lo tanto, se concluye que los neutrinos son masivos, a pesar de no poder medir su masa a través de este método.
Espero eso aclare las cosas, cualquier cosa nos dejas otro comentario. Son justamente estas preguntas las que enriquecen la discusión en el blog. Un saludo.
Ah, muchas gracias.
Tengo muchas preguntas más, pero probablemente sería mejor consultar un texto introductorio ¿Tienes alguna recomendación? No de mecánica cuántica general ni difusión, sino más de partículas, modelo estándar, neutrinos, mecanismo de Higgs…
Una sóla pregunta más: ¿podría la oscilación de los neutrinos deberse a la interacción con alguna otra partícula? Vale decir, ya que para explicar la interacción de ellos con el campo de Higgs se requeriría una nueva partícula, ¿no podría interpretarse la oscilación de otra manera, como el resultado de un scattering con alguna otra partícula (conocida o no conocida)? De esa manera, no tendrian masa pero su cambio ocurriria por su choque con otra cosa.
Hola Andrés,
Las preguntas son bievenidas, ese es uno de los motivos para que el blog tenga sección de comentarios. A veces me demoro en responder pero lo intento.
Libros instroductorios hay muchos, uno clásico es «Introduction to Elementary Particles» de David Griffiths, allí encontrarás la derivación de la probabilidad de oscilación de los neutrinos y verás que la masa no aparece, sino que la diferencia del cuadrado de las masas.
Me gustó mucho tu pregunta; primero quisiera insistir en que leptones cargados y quarks tienen masa debido a que interaccionan con el campo Higgs, no con el bosón de Higgs (es decir, no tienen masa porque «choquen con bosones de Higgs»).
Convencionalmente, las oscilaciones de los neutrinos se producen no por alguna interacción con partículas de algún tipo, es un fenómeno puramente cuántico que afecta su propagación libre, no hay interacciones (en lenguaje técnico, el hamiltoniano de los neutrinos no es diagonal ni degenerado, es lo mismo que ocurre con transiciones entre sistemas de dos niveles en mecánica cuántica).
Otra cosa es considerar qué interacciones pudiesen afectar la propagación de los neutrinos de tal manera que los hagan oscilar. Una pregunta muy válida es: ¿es posible que los neutrinos oscilen debido a la interacción con «algo» y no porque tengan masa? La respuesta es afirmativa y es algo a lo que dediqué varios años de mi doctorado. Te puede interesar un pequeño review que escribí (Overview of Lorentz Violation in Neutrinos ) en el que presento un resúmen de estas ideas. Aunque es necesario aclarar que por ahora la oscilación explicada por neutrinos masivos es favorecida por experimentos.
De Miguel L Sastre.
Estimado Jorge:
El modelo estándar funciona bien, como también funciona bien la geometría Euclidiana, pero la geometría fractal se ajusta mas a la realidad. El problema de la simetría es muy difícil de mantener cuando se acepta la expansión del Universo, (sin más la asimetría materia-antimateria se considera una consecuencia de la expansión), y la curvatura del espacio-tiempo, (que también conspira con el “sentido” de simetría).
Por otro lado, los resultados de la masa del neutrino de – (m*2) o i(m*2), se asemejan mucho al “concepto” de “materia oscura”…
Y no olviden que en los resultados de las ecuaciones de relatividad también están presentes el doble signo de la raíz cuadrada, (+ y -), por lo que el concepto de -m*2 no debería llamar tanto la atención, (Recuerden que la ciencia esta en desarrollo permanente, puede ser tiempo de una adaptación).
Este hallazgo, podría considerarse como una “ampliación” de aplicación del “modelo estándar”, o mejor, “modelo estándar ampliado”.
Saludos.
Gracias Miguel por tu mensaje. Lamentablemente no es mucho lo que comprendo ya que tus afirmaciones no vienen acompañadas de evidencia o explicación alguna. Por ejemplo, no veo la conexión entre los neutrinos y la materia oscura que mencionas.
Excelente, lo he disfrutado mucho. No sólo es detallado y se toma el tiempo necesario sino que es ameno y ese tiempo se invierte como cuando se degusta una buena onza del mejor chocolate.
Gracias por regalarnos tu tiempo, tus conocimientos y tu buen hacer.
Hola José,
Gracias por tus palabras, me alegro que hayas disfrutado la lectura del artículo. Por mi parte disfruté mucho escribiéndolo. Lamentablemente el tiempo escasea, pero siempre hay ganas de compartir estas historias, muchas de las cuales siguen escribiéndose en nuestros días. Cada vez que aprendo algo nuevo y encuentro la manera de explicarlo siento el deber de contarlo. Un saludo.
Un artículo muy completo, aunque me ha costado leerlo con tanto spanglish.
Pingback: Un espectro vale más que mil imágenes | Conexión causal
Pingback: La masa del neutrino: una crisis y el futuro | ...
Pingback: Visita a KATRIN, el experimento para medir la masa del neutrino | Conexión causal
Pingback: ¿Cómo atrapar un neutrino? | Conexión causal
Pingback: Premio Nobel de Física 2015: oscilación de neutrinos | Conexión causal