Primer neutrino tau observado en OPERA

La física de partículas sigue deleitándonos con nuevas noticias, esta vez no tienen relación con el LHC, ni partículas bellas (casi). Ayer la colaboración científica OPERA anunció la observación de un neutrino tau () en el detector instalado en el Laboratorio de Gran Sasso, en Italia, lo que confirmaría que los neutrinos muónicos que desaparecen oscilan a neutrinos tau. Esa es la noticia, qué significa? Para comprender la gran relevancia de esta noticia debemos comprender qué es un neutrino, qué es la oscilación, y qué es lo que OPERA ha observado.

Neutrinos

Como discutimos en un post anterior, existen partículas compuestas y partículas fundamentales, de la misma forma que en química se clasifica a todos los elementos en la tabla periódica, los físicos han creado una especie de tabla periódica de partículas fundamentales. Una sección de esta tabla es mostrada en la figura, la que contiene seis quarks y seis leptones, separados en tres familias llamadas generaciones. Tres de los leptones tienen carga eléctrica negativa: el electrón (), el muón () y el tau (), los otros tres son neutros (no tienen carga eléctrica) y son partículas muy interesantes llamadas neutrinos (nombre inventado por el italiano Enrico Fermi para designar a este pequeño neutro, en comparación con el neutrón que no es fundamental). De la misma manera que existen tres generaciones de leptones cargados, existen tres generaciones de neutrinos: neutrino electrónico (), neutrino muónico () y neutrino tau (). Los neutrinos fueron literalmente inventados por el gran físico teórico Wolfgang Pauli en 1930, y fueron observados por primera vez en 1956. Uno de los motivos por los cuales casi 30 años separan su invención y su observación es que los neutrinos tienen la propiedad de interactuar muy débilmente, es decir, casi no interactúan con la materia lo que los hace muy difícil de «observar». Estas diminutas y escurridizas partículas se crean en los procesos nucleares por lo que el Sol (como cualquier estrella) es una fuente continua de neutrinos (llamados neutrinos solares); de la misma manera, los reactores nucleares son también una fuente de neutrinos (neutrinos de reactor). La radiación cósmica que golpea continuamente la atmósfera terrestre produce reacciones que lleva también a la creación de neutrinos (neutrinos atmosféricos) y otras muchas partículas. Además, hoy en día los neutrinos pueden crearse en laboratorios al colisionar protones a altas energías (neutrinos de aceleradores).
En resumen, los neutrinos: son tres tipos de partículas fundamentales (los físicos llaman a estos tres tipos sabores, es decir el neutrino viene en tres sabores: ), no tienen carga eléctrica, no tienen masa (según el modelo estándar), y conocemos diferentes formas de generarlos, tanto naturales (estrellas, rayos cósmicos) como artificiales (reactores nucleares, aceleradores).

Oscilaciones de neutrinos

Pensemos en el ejemplo más simple de oscilación: un reloj de péndulo, en el cual un brazo cuelga y se mueve de un lado para otro, lo que escuchamos como un tic-tac-tic-tac. Esto es lo que en física se conoce como movimiento oscilatorio, que en general es cualquier fenómeno que se repite cíclicamente en el tiempo. En 1957, el físico italiano Bruno Pontecorvo consideró la idea de que los neutrinos podían oscilar, de la misma manera que el péndulo de un reloj, pero donde un tic corresponde a un tipo de neutrino y el tac es otro, por ejemplo tic es un neutrino muónico y el tac es un neutrino tau. Esto significa que un se transforma en un al propagarse, luego vuelve a ser y así continuamente.

Oscilación de un neutrino muónico en un neutrino tau

Esto es lo que los físicos llaman oscilación de neutrinos. La idea es simple, pero qué tiene de relevante? Pontecorvo demostró que los neutrinos podrían comportarse de esta extraña manera sólamente si estas pequeñas partículas tienen masa. Dado que el modelo estándar predice que los neutrinos no tienen masa entonces la observación de esta oscilación implicaría que algo anda mal con el modelo estándar. Es el modelo estándar una buena teoría? No sabemos y lo único que podemos hacer es ponerla a prueba, si los neutrinos oscilan entonces el modelo estandar tiene una falla!*
Aquí es donde los neutrinos, a pesar de ser partículas tan pequeñas, sin carga eléctrica y que apenas interactúan juegan un rol fundamental ya que las oscilaciones han sido observadas en varios experimentos durante los últimos 10 años: en neutrinos de reactores, solares, atmosféricos y de aceleradores, todos oscilan! Estos resultados implican que el famoso y tan venerado modelo estándar tiene una deficiencia. Encontrar una falla de este tipo en una teoría tan importante como el modelo estándar es uno de los más importantes descubrimientos de los últimos tiempos. Esto no significa que el modelo estándar se va al basurero, pero implica que requiere algunas modificaciones. Este es uno de las áreas más activas de la física hoy en día.

Observación de un en OPERA

Detector OPERA

Ahora que sabemos qué son los neutrinos, qué significa que oscilen y su importancia, veamos por qué el anuncio de ayer es tan relevante. Como dijimos, diferentes experimentos realizados en los últimos 10 años han mostrado que los neutrinos oscilan. La idea de cómo este fenómeno ha sido medido es bastante simple: se toma un montón de neutrinos de un tipo (por ejemplo neutrinos muónicos), se hacen pasar por un «contador de » (detector #1), luego son lanzados a otro «contador de » (detector #2) ubicado más lejos y que los vuelve a «contar», dado que los neutrinos recorren cierta distancia algunos de ellos van a oscilar en el camino y el detector #2 «contará» menos que los que había originalmente. Este es el principio de los experimentos llamados experimento de desaparición de neutrinos, porque algunos neutrinos desaparecen en el camino y el segundo detector contará menos. En realidad sabemos que no desaparecen, sólo se transforman en pero el detector #2 no puede verlos. Durante años este ha sido el método empleado para medir la oscilación de neutrinos, sólo sabemos que algunos desaparecen en el camino y se cree que se transforman en neutrinos de otro sabor. El experimento OPERA fue diseñado no para medir la desaparición, sino que la aparición del otro tipo de neutrino, es decir OPERA es el detector #2 que cuenta los luego de que los han viajado cierta distancia. Los neutrinos son creados en un acelerador en el CERN (Suiza) que los lanza bajo tierra hasta el detector OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS) ubicado bajo una montaña (Gran Sasso es el nombre de la montaña) en Italia. Los neutrinos muónicos viajan una distancia de 732 km bajo tierra sin interactuar; durante las 2 milésimas de segundo que demoran en llegar a Gran Sasso, algunos oscilarán a y se encontrarán con el detector OPERA, donde son «contados». Dado que únicamente son lanzados desde CERN, si OPERA observa algún la única explicación es la oscilación de alguno de los originales. El día de ayer fue anunciada la primera observación de un en OPERA, es la primera vez que la aparición de un neutrino de este tipo es observada y por eso es tan importante. En otras palabras, por primera vez se midió el neutrino que aparece, en vez de «contar los que faltan».

Notar que no es que un neutrino se desintegró y apareció uno nuevo, simplemente se transformó en uno de otro tipo (oscilación). No es la primera vez que se observa la oscilación de un neutrino, esto se ha medido desde hace décadas. No es la primera vez que se observa el neutrino tau, éste fue medido por primera vez en 2000. La relevancia de este anuncio es que por primera vez tenemos evidencia de que los que desaparecen se transforman en . Muchos medios utilizan el término «partícula camaleón» para referirse a los neutrinos, debido a que el camaleón puede cambiar de color (para camuflarse) mientras que el neutrino puede cambiar de sabor.

Seguiremos atentos qué pasa con los neutrinos, los cuales desde su descubrimiento han sido misteriosos, difíciles de detectar y han revelado muchas sorpresas. Su oscilación es probablemente una de las más relevantes ya que revela la primera fisura del modelo estándar.

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*: En los últimos años se ha demostrado que los neutrinos podrían oscilar incluso si no tuviesen masa, sin embargo los nuevos mecanismos también requieren de modificaciones del modelo estándar.

Links (desafortunadamente en inglés):

• Experimento OPERA
• Anuncio oficial
• Video con detalles del experimento

Imagen: LNGS