Premio Nobel de Física 2015: oscilación de neutrinos

Nobel_medalEsta mañana el Comité Nobel ha anunciado el Premio Nobel de Física de este año. Los galardonados son Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald “por el descubrimiento de la oscilación de neutrinos, lo que muestra que estas partículas poseen masa”. Kajita es profesor en la Universidad de Tokio en Japón y McDonald es profesor en Queen’s University en Canadá.

nobel2015

Neutrinos son partículas fundamentales que en el Modelo Estándar de física de partículas no poseen masa. Una de las más intensas fuentes de neutrinos es el Sol, por lo que en los años 60 el físico teórico John Bahcall se propuso calcular los detalles de las reacciones nucleares en el Sol y su relación con los neutrinos. Bahcall se dio cuenta que los neutrinos producidos en el centro del Sol escaparían en una fracción de segundo por lo que los neutrinos permitirían “ver” el corazón de nuestra estrella casi en tiempo real. Al contrario, los fotones demoran miles de años en escapar. Detectar neutrinos es muy difícil, pero el físico-químico Ray Davis se propuso medir los neutrinos calculados por Bahcall. Desde el principio un problema fue identificado con los neutrinos provenientes del Sol. El experimento de Davis mostraba que sólo un 34% de los neutrinos esperados según los cálculos de Bahcall llegaban a la Tierra. A esta discrepancia entre teoría y experimento se le denominó el problema de los neutrinos solares. Algunos culpaban al delicado y complejo experimento de Davis, otros dudaban que Bahcall fuese capaz de calcular la física del interior del Sol.

Décadas más tarde, en Japón físicos del experimento Kamiokande observaron que sólo un 60% de los neutrinos creados en la atmósfera llegaban al detector. A esta discrepancia entre teoría y experimento se le denominó el problema de los neutrinos atmosféricos. Por muchos años se hacía la pregunta: ¿están mal los cálculos? o ¿están mal las mediciones? La respuesta más osada era que ambos, cálculos y mediciones, estaban en lo correcto y estos problemas son en realidad evidencia de un descubrimiento fenomenal: los neutrinos poseen masa.

Se habla de neutrinos (en plural) porque existen tres tipos, que los físicos llamamos sabores, lo que muestra el sentido del humor a la hora de nombrar las propiedades de las partículas fundamentales. Estos tres sabores son neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau. El apellido de cada neutrino se origina en la manera en que interaccionan con la materia. Si un neutrino choca con un núcleo atómico produciendo un electrón entonces este neutrino es un neutrino electrónico; si al chocar con un núcleo atómico se produce un muón (similar al electrón pero más masivo) entonces este neutrino es un neutrino muónico; y lo mismo para el neutrino tau.

Si los neutrinos poseen masa entonces un interesante fenómeno puede ocurrir: un neutrino de un determinado sabor al propagarse por cierto tiempo puede transformarse en un neutrino de otro sabor. Este fenómeno se denomina oscilación de neutrinos y permite resolver los dos problemas que por décadas incomodaban a los físicos de neutrinos. El Sol emite neutrinos creados en las reacciones termonucleares en su núcleo. Dado que estas reacciones sólo involucran núcleos atómicos y electrones, el Sol sólo emite neutrinos electrónicos. Por esto el detector de Ray Davis fue diseñado sólo para medir neutrinos electrónicos. Si los neutrinos tienen masa, entonces debido a la oscilación algunos neutrinos electrónicos se transformarían en neutrinos muónicos y neutrinos tau en su viaje desde el centro del Sol y por esto el 66% de los neutrinos emitidos no serían observables en el experimento de Ray Davis. De la misma manera, en la atmósfera se producen dos neutrinos muónicos por cada neutrino electrónico; si éstos poseen masa entonces algunos podrían oscilar transformándose en neutrinos de otro sabor modificando la proporción y la cantidad observada.

La oscilación de neutrinos ofrece una simple y a la vez revolucionaria solución a los problemas de los neutrinos solares y atmosféricos, sin embargo esta idea requería confirmación experimental. El experimento Kamiokande fue reeplazado por una versión mayor llamada Super-Kamiokande. El grupo de neutrinos atmosféricos fue liderado por Takaaki Kajita y en 1998 anunciaron su resultado, el que confirmaba la oscilación de neutrinos atmosféricos. El problema de los neutrinos atmosféricos fue resuelto.

Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998

Portada del New York Times del 5 de Junio de 1998

Ante el éxito de Super-Kamiokande, el siguiente paso era verificar si la oscilación de neutrinos podría explicar el déficit de neutrinos solares. Dirigido por Arthur B. McDonald, un moderno experimento fue instalado en una profunda mina en la localidad canadiense de Sudbury y se le llamó SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Al contrario del experimento de Ray Davis, SNO fue diseñado para detectar los tres sabores de neutrinos, de esta manera la oscilación de los neutrinos solares no afectaría el resultado y más importante, ya que el Sol sólo emite neutrinos electrónicos, la detección de neutrinos muónicos o neutrinos tau confirmaría el fenómeno de oscilación. En 2001 los resultados fueron publicados: SNO observó que el 66% de los neutrinos emitidos por el Sol llegan como neutrinos muónicos y neutrinos tau. Además, la suma de todos los sabores de neutrinos detectados confirmaba la predicción teórica de John Bahcall.

Imagen del Sol en neutrinos observados en Super-Kamiokande

Imagen del Sol en neutrinos observados en Super-Kamiokande

El espectacular resultado de Super-Kamiokande y SNO sentó las bases para el estudio de los neutrinos no sólo como partículas fantasmales (ghost particles) como se les llamaba, sino que además como partículas con problemas de identidad. La oscilación de neutrinos de diversos sabores y energía ha sido además confirmada en experimentos con neutrinos creados en aceleradores de partículas y reactores nucleares. La consecuencia revolucionara de la oscilación de neutrinos es que estas partículas poseen una masa muy pequeña pero no nula; al ser una de las partículas más abundantes del Universo, la masa de los neutrinos puede jugar un rol fundamental en reacciones nucleares en las estrellas y hasta en la evolución del Universo. Todavía desconocemos el valor de la masa de los neutrinos, justamente este es unos de los campos más activos en física de partículas. Kajita y McDonald han recibido varios premios y por su trabajo ahora han dado un cuarto Premio Nobel a los neutrinos, los anteriores fueron en 1988, 1995 y 2002.

En este blog he escrito muchas veces sobre neutrinos y sus propiedades, dejo a continuación los artículos más relevantes:
El neutrino está de cumpleaños (historia del neutrino)
¿Cómo atrapar un neutrino? (descripción de cómo funciona un detector de neutrinos)
¿Cuántos neutrinos hay en una caja? (física de neutrinos solares)
La masa del neutrino: una crisis y el futuro (historia de la masa del neutrino)
Visita a KATRIN, el experimento para medir la masa del neutrino
Experimento descubre oscilación de antineutrinos provenientes de reactores nucleares
Ver todos los artículos sobre neutrinos

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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15 respuestas a Premio Nobel de Física 2015: oscilación de neutrinos

  1. Jorge dijo:

    Gracias por la entrada =), lo disfruté mucho

  2. Rodrigo dijo:

    Gracias por la explicación :)

  3. Excelente artículo Jorge, tienes una forma muy didáctica de explicar las cosas, lo que demuestra tu conocimiento del tema.

  4. eduideas dijo:

    Me alegra entender exactamente qué se ha premiado, algo que no había comprendido en otros blogs :)

  5. Jose Maria dijo:

    Muy buena explicación.
    Club de Física Enrico Fermi

  6. Pingback: Premio Nobel de Física 2015: Kajita (SuperKamiokande) y McDonald (SNO) por la oscilación de los neutrinos | Ciencia | La Ciencia de la Mula Francis

  7. Pingback: Lo más destacado de la RedLBC: semana del 5 al 11 de octubre 2015 | RedLBC

  8. Pingback: Francis en #rosavientos: Los premios Nobel de ciencias en 2015 | Ciencia | La Ciencia de la Mula Francis

  9. Pingback: Estamos en el futuro | Conexión causal

  10. Pingback: El neutrino está de cumpleaños | Conexión causal

  11. Antonio dijo:

    Oscilación del neutrino implica crear energía de la nada, ¿es posible?:
    En el Sol: Protón+electrón –) neutrón + neutrino electrónico
    Este neutrino electrónico puede reaccionar con un neutrón y dar la reacción inversa:
    neutrino electrónico + neutrón —) Prótón + electrón
    Pero si fuera cierto que oscila:
    El neutrino electrónico se puede cambiar a muónico y:
    neutrino muónico+ neutrón —–) Protón+muón
    Y como el muón es más pesado que el electrón, se ha creado energía de la nada, ¿es posible?

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Antonio,
      gracias por tu pregunta. la respuesta es que no, las oscilaciones de neutrino no implican creación de energía de la nada, eso violaría la conservación de la energía. Tu razonamiento inicial es apropiado: un neutrino electrónico puede oscilar en un neutrino muónico, sin embargo este producirá un muón al interaccionar sólo si posee una energía cinética mayor a la masa del muón. Es por esto que los detectores de neutrinos deben diseñarse con tanta dedicación, ya que diferentes detectores sólo detectarán algunos tipos de neutrinos. La baja energía de algunos, como los neutrinos solares o provenientes de supernovas, los hacen bastante difíciles de medir.

      • Antonio dijo:

        Un neutrino electrónico solar, si pasa a estado de neutrino muónico, tiene que perder energía, y no la tiene en ninguna forma, ni cinética, ni de otro tipo; en el Sol no hay tanta energía o potencia. Por lo tanto, la oscilación del neutrino no existe, es falso, porque acaba con el principio de conservación de la energía.

  12. Pingback: LIGO descubre ondas gravitacionales | Conexión causal

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