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 (\nu_\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 (e), el muón (\mu) y el tau (\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 (\nu_e), neutrino muónico (\nu_\mu) y neutrino tau (\nu_\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: \nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau), 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 \nu_\mu se transforma en un \nu_\tau al propagarse, luego vuelve a ser \nu_\mu 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 \nu_\tau 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 \nu_\mu” (detector #1), luego son lanzados a otro “contador de \nu_\mu” (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 \nu_\mu 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 \nu_\tau 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 \nu_\tau luego de que los \nu_\mu 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 \nu_\tau y se encontrarán con el detector OPERA, donde son “contados”. Dado que únicamente \nu_\mu son lanzados desde CERN, si OPERA observa algún \nu_\tau la única explicación es la oscilación de alguno de los \nu_\mu originales. El día de ayer fue anunciada la primera observación de un \nu_\tau 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 \nu_\mu que desaparecen se transforman en \nu_\tau. 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.


*: 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):

Imagen: LNGS

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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14 respuestas a Primer neutrino tau observado en OPERA

  1. Felipe dijo:

    Muy clara la explicación, se agradece el esfuerzo en usar un lenguaje para neófitos. Buen trabajo, sigan así.

  2. Jorge Diaz dijo:

    Hola Felipe,
    gracias por tu comentario, haremos lo posible por hacer que estas cosas tan importantes que están ocurriendo sean entendibles para todos, es un privilegio que debe ser compartido.
    Saludos

  3. Alejandro dijo:

    Excelente artículo, excelente blog y felicitaciones por su labor de divulgadores científicos. Tengo una pregunta: ¿cómo se marcan los neutrinos que pasan por el detector o de qué forma se diferencia un neutrino que es parte del experimento con otro que simplemente se coló por el detector?

    • Jorge Diaz dijo:

      Alejandro, gracias por el saludo.
      Lo preguntas es un detalle muy importante para los físicos experimentales que diseñan estos experimentos, es una excelente pregunta porque como dijimos, los neutrinos llegan de todos lados: reactores nucleares, el sol, las capas altas de la atmósfera… y dado que casi no interactúan, todos estos neutrinos pasan a través de los detectores, entonces cómo distinguir los neutrinos que andan alrededor de los que fueron lanzados desde CERN?
      Hay al menos dos posibles métodos que los experimentales usan: uno es usar el tiempo que se demoran desde que salen de CERN hasta que llegan al detector; otro usa la dirección en la que se mueven.
      El primer método se comprende al estudiar la manera en que los neutrinos de este experimento son creados: en CERN hay muchos aceleradores los que son usados para diversos experimentos, como el LHC. En el caso de OPERA, hay un proyecto en CERN llamado CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) que se encarga de sumistrar los neutrinos para los detectores ubicados en Gran Sasso (OPERA no es el único detector de neutrinos, hay otro llamado ICARUS), esto lo logran colisionando protones acelerados en el acelerador llamado SPS (Super Proton Synchrotron) contra un blanco (usualmente una barra de un material particular). En esta colisión se crean muchas partículas, entre ellas forman un haz de neutrinos que apuntan hacia Gran Sasso. Dado que los neutrinos son creados en cada colisión, el haz de neutrinos no es contante (como el haz de un láser) sino que es un montón de pulsos (es como encender y apagar una linterna de forma intermitente), ahora en CERN tienen completo control sobre las colisiones, ellos pueden determinar exactamente cuándo un haz de neutrinos fue enviado a Gran Sasso y por lo tanto saben cuándo debería llegar. Este es uno de los sistemas usados para discernir entre neutrinos provenientes desde el SPS y lo que andan en el ambiente. Claro, existe la posibilidad que un neutrino creado en la atmósfera llegue al detector coincidiendo con uno lanzado desde CERN, aquí es donde este método se combina con el otro.
      El otro método usa el hecho que el detector (entre muchas cosas) contiene un material llamado emulsión que permite rastrear la dirección de las partículas en el detector (esto explica su nombre: OPERA significa “Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus”). Es importante notar que el detector no observa los neutrinos sino sus efectos, cuando un neutrino muónico interactúa con la materia produce un muón, de la misma manera cuando un neutrino tau interactúa produce un tau, ésta es la partícula que es medida y rastreada en OPERA. Al rastrear su dirección es posible determinar la dirección del neutrino que le dio origen, si este no coincide con CERN entonces se descarta. Por definición sólo el neutrino tau puede producir un tau, por lo tanto no hay manera de “contar mal”.
      Estos son detalles muy importantes cuando se analizan los datos, los físicos llaman a este proceso “remover el background”, donde por “background” se entiende cualquier posible efecto que pueda alterar la medición que se desea realizar.

      Ojalá esto responda tu pregunta. Cualquier otra inquietud nos escribes ;)

      • Alejandro dijo:

        Saludos Jorge y muchas gracias. Sólo por hobby con un amigo estudiamos física de partículas, cosa que me sirvió tiempo después para entender computación cuántica y es un mundo muy pero muy interesante. No perderé de este blog, de verdad muy buenos artículos. Nuevamente muchas gracias por la respuesta.

  4. visualcubb dijo:

    WOW… ¿saben cuánto tiempo llevo buscando un blog como este?… mis más sinceras felicitaciones, excelente la explicación, muy clara, precisa y detallada, y lo mejor de todo, está explicada de una forma entendible.

    Sigan así, queremos más articulos!!!… estoy esperando el resto de la serie de principios fundamentales :D

    • Jorge Diaz dijo:

      La serie está en preparación, ya vendrán las partes que faltan. Algunas están listas, pero han tenido que esperar porque no quisimos dejar pasar algunos hechos noticiosos como este.
      Saludos

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