El misterio de los neutrinos solares: por qué parece que desaparecen de camino a la Tierra

El neutrino siempre ha sido una partícula ilusoria. Nos dimos cuenta de que existía en préstamo porque se trataba de la fisión nuclear. Tardó veintiséis años en presentarse correctamente, ya que parece que le gustó vivir en la sombra. Y cuando le conocimos, resultó que no venía solo, sino que trajo a dos amigos. Fue sin duda un tirano que entró en nuestra casa. Pero nada de eso se compara con la actuación que logró en la segunda mitad del siglo XX. Cuando se negó a desaparecer.

La historia empezó con muchos descubrimientos científicos: a partir de la investigación ordinaria. A finales de la década de 1950, ya habíamos aprendido a detectar neutrinos. Sabíamos que los neutrinos se producen por reacciones nucleares, así que los buscamos colocando a un detector cerca de un reactor nuclear. Y ahí estaban: los encontramos. Pero después de esto, el reactor nuclear falló: queríamos encontrar neutrinos naturales, para ver si podríamos utilizarlos para estudiar la naturaleza. ¿Dónde podemos mirar? Necesitábamos un lugar en el que tuvieran lugar muchas reacciones nucleares. Cuanto más mejor.

Reinas y Cowan utilizaron 200 litros de agua para detectar los primeros neutrinos. Davis y Bahcall necesitaban 375.000 litros y no sólo agua. Usarían tetracloroetileno, un disolvente común que se utiliza habitualmente en la limpieza en seco. Lo que buscaba Davis no eran los beneficios del removedor de manchas, sino el cloro: cada molécula de tetracloroetileno, como su nombre indica, tiene cuatro átomos de cloro. Un neutrino que golpea un núcleo de cloro debería convertir a uno de sus neutrones en un protón, y el átomo se convertiría entonces en argón. El argón es un gas noble y no le gusta jugar a la química con otros niños. , entonces flotaría solo dentro del depósito de disolvente. El plan de Davis era filtrar periódicamente el depósito de 100.000 galones para varios átomos de argón.

había varios tipos de neutrinos. Una de ellas concernía al electrón, es decir, el producido por reacciones nucleares, el producido en grandes cantidades al Sol: le llamamos neutrino electrónico. Sin embargo, el descubrimiento de una partícula similar a un electrón, el muón, llevó a la conclusión de que debe existir un segundo neutrino para interactuar con el muón al igual que el primer neutrino interactuó con el electrón. Este nuevo neutrino se llamaba, por supuesto, el neutrino muónico. Ambas eran partículas sin carga, ambas podían atravesar la materia como si fueran transparentes, pero eran partículas distintas.

Lo que nos interesa de ese segundo neutrino es que no dejó rastro en el experimento de Davis. Para transformar el núcleo de cloro en argón, los neutrinos debían pagar un precio: debían transformarse en electrones, ‘absorbiendo’ la carga desplazada por el núcleo. Los neutrinos muónicos también podrían absorber cargas, pero al precio de convertirse en un muón, lo que no podría ocurrir en este caso porque el muón pesa 200 veces más que el electrón. Los neutrinos solares simplemente no tenían energía suficiente para producir un objeto tan pesado. Los neutrinos muónicos pasarían por el disolvente sin dejar rastro.

¿Pero por qué debemos preocuparnos por esta posibilidad? ¿No hemos dicho que todos los neutrinos producidos por el Sol eran electrones? Aquí está el problema: a finales de los años 60, el físico italiano Bruno Pontecorvo propuso que distintos tipos de neutrinos podían transformarse unos a otros. Si ambos neutrinos tuvieran demasiado, y estas masas tuvieran las propiedades correctas, los neutrinos electrónicos se convertirían en neutrinos muónicos por simple movimiento . Básicamente, un neutrino que se moviera por el espacio cambiaría constantemente: ahora es un neutrino electrónico, ahora es un muón, ahora vuelve a ser un electrón, ahora es un muón de nuevo. Este fenómeno se ha llamado oscilaciones de neutrinos.

En la década de 1970, todavía era una idea algo especulativa porque se conocía poco sobre los neutrinos y nada sobre sus masas, pero la imagen que nos pintó tenía sentido: muchos neutrinos electrónicos salieron del Sol, pero cuando llegaron 70% de la Tierra se había transformado en neutrinos muónicos que no interactuaron con el experimento de Davis. Por supuesto, la transmutación de los neutrinos nos permite admitir que el Sol produjo lo que debía producir, pero no pudimos verlo.

La idea era atractiva. Con algunos fragmentos, dio un poco de luz por qué ni los modelos solares ni el experimento Homestake echaron una mano y, aunque las fluctuaciones parecían un poco un fenómeno exótico, ya se habían encontrado pruebas en otros partículas, los kaons. Pero la idea actual sufría un grave problema: los números no coincidían. Las ecuaciones de oscilación permitieron convertir el 50% de los neutrinos electrónicos en muones, pero no más. Por otra parte, vimos que nos faltaban el 70% de los neutrinos que debería producir el Sol. Una y otra vez, este problema se ha resistido a ser resuelto. ¿Quizás la respuesta real estaba en otro lugar después de todo?

la materia lo cambia todo

Las piezas del rompecabezas aparecieron a finales de los años 70 y 80. En primer lugar, el físico estadounidense Lincoln Wolfenstein se dio cuenta de algo importante: sólo para que la materia sea ‘transparente’ en los neutrinos no quiere decir que no exista . impacto sobre ellos. Por ejemplo, el agua es transparente a la luz, la luz puede atravesarla sin demasiada dificultad, pero la velocidad de la luz en el agua no es la misma que en el vacío: la luz viaja más lenta en el aire . Esto se debe a que la luz interacciona con las moléculas de agua; lo que se mueve en el agua no es sólo un rayo de luz, sino ‘un rayo de luz que actúa sobre las moléculas de agua’. Vemos este ‘rayo de luz + agua’ como un objeto compuesto que se asemeja mucho a un haz de luz, pero es ligeramente diferente,

Algo parecido debe ocurrir con un neutrino que se mueve por la materia, pensó Wolfenstein. Es cierto que es poco probable que un neutrino choque con una partícula de materia, pero esto no significa que no ‘sienta’ que hay materia. Y, efectivamente, cuando hizo las matemáticas, descubrió que un neutrino que se mueve por la materia también se mueve un poco más lentamente. De nuevo, se mueve una combinación ‘neutri + materia’, que es muy parecido a un neutri, pero se comporta como si tuviera más demasiado: por tanto, se mueve más lentamente. En resumen, podríamos entender esta interacción del neutrino con la materia circundante como la ‘demasiado falsa’ que adquiere el neutrino al pasar por la materia.

Pero la cuestión no acabó ahí. Lo importante para nosotros es que esta falsa masa de neutrinos es diferente para los electrones y los muones.. Esto tenía mucho sentido: los neutrinos electrónicos interactúan principalmente con los electrones y la materia contiene muchos electrones; Los neutrinos de muones, a su vez, interaccionan principalmente con los muones, y prácticamente no hay muones en la materia. Así que tenga cuidado: la materia modifica las masas de nuestros dos neutrinos, y esto abre la puerta a fluctuaciones que se comportan de manera diferente en la materia y en el vacío. Nadie sabía que los neutrinos del Sol llegaban a la Tierra a través del gran vacío, pero antes… antes debían pasar por toda la materia del Sol, que no es pequeña. ¿Puede que durante este corto viaje, el caso haya cambiado las reglas de nuestro juego?

La respuesta final llegó en 1985 de los físicos soviéticos Stanislav Mikheev y Aleksey Smirnov, que se dieron cuenta de que el punto clave es que la densidad del Sol no es constante. Esto es importante porque el efecto de la materia sobre los neutrinos depende de la cantidad de materia que les rodea. La densidad en el núcleo donde nace el neutrino es muy alta y las propiedades de los neutrinos serán muy distintas a las del vacío. Mijeev y Smirnov realizaron cálculos y se dieron cuenta de que los neutrinos electrónicos nacidos en el núcleo del Sol nacen con una masa relativamente grande debido a que hay mucha materia cerca. Al vacío, en cambio, los neutrinos electrónicos tienen masas más bajas, y estas masas altas se asemejan más a neutrinos muónicos.Así pues, lo que ocurre es que se crean neutrinos de electrones ‘pesados’ en el núcleo del Sol, pero cuando estos mismos neutrinos pesados ​​salen… ¡resultan ser muones! Esto explicaría la conversión del 70% de los neutrinos solares en algo que el experimento Homestake no puede detectar.

el final del misterio

Hasta ahora, hemos dedicado tiempo a argumentar la ‘desaparición’ de los neutrinos solares, pero, en realidad, sólo han sido esto: argumentos. La única evidencia experimental que tenemos son los resultados persistentes de Homestake, que nos dijeron repetidamente que hay menos neutrinos de los que debería haber. Esto no cambió hasta la década de 1990, cuando una nueva generación de experimentos utilizando técnicas que no son de Davis confirmaron que algo raro estaba pasando. Kamiokande II en Japón, SAGE en Rusia y GALLEX en Italia encontraron por unanimidad menos neutrinos de los que debería haber emitido el Sol. El déficit era diferente al déficit de Homestake, pero también es cierto que estos experimentos podrían ver neutrinos de menor energía,

Recordemos también que en ese momento todavía era posible que viéramos menos neutrinos porque había menos neutrinos. Se mantuvo abierta la posibilidad de que los neutrinos sean inestables y se desintegran en el camino entre la Tierra y el Sol. Había la posibilidad de que se convirtiera en otra cosa que no pudiera llegar a la Tierra. A finales de la década de 1990, cuando el experimento Super-Kamiokande confirmó que los neutrinos sí oscilaban, la idea empezó a entenderse. Super-Kamiokande observó neutrinos que oscilaban desde la atmósfera terrestre, pero si oscilaban, ¿por qué no desde el Sol?

El debate se resolvió finalmente con el experimento SNO en Canadá a principios de los años 2000. Este experimento pudo hacer lo que ninguno de los anteriores pudo: ver todo tipo de neutrinos. Homestake era limitado porque sólo podía detectar neutrinos electrónicos, por lo que no sabía si los neutrinos que faltaban tenían forma de neutrinos muónicos o no. SNO

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Conoce al autor, Michael Montero
Michael Montero

Michael Montero es especialista en Astronomía, cuenta con años de experiencia en observatorios y está especializado en avistamiento a media distancia. También ha preparado a algunos grupos de iniciados en astronomía. Una de sus aficiones más importantes es la observación de astros en la naturaleza, que practica cuando sus viajes y trabajo se lo permiten.

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