neutrinos

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monografia acerca del estudio de los neutrinos

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neutrinos

  1. 1. “AÑO DE LA INTEGRACIÓN NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD” UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL, SISTEMAS E INFORMÁTICA ESCUELA ACDÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL TITULO: “ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS “AUTORES:  ESPINOZA LEON CARLOS OMAR  CUADROS GARCIA BRENDA MELISSA  DE PAZ MORALES EDUARDO ISMAEL  VELASQUEZ CARRERA VICTOR  MARCOS HUAMAN JHONDOCENTE:  MG. JAVIER H. RAMÍREA GÓMEZCICLO: II HUACHO-PERU-2012
  2. 2. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS DEDICATORIA Agradecer a Dios por haber permitido que llegásemos hasta este punto de la vida, por habernos dado salud, y lo necesario para seguir adelante día a día, también a nuestros padres por el apoyo en todo momento, por los consejos, la motivación constante que nos ha permitido ser personas de bien.2 FISICA II / UNJFSC / II
  3. 3. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS PRESENTACIÓN El propósito de este trabajo es de dar a conocer uno de los fenómenos más controversiales en el mundo de las ciencias, se trata de una partícula mil millones de veces más pequeña que un átomo de hidrogeno, pero que ha ocasionado interrogantes tan inmensas como la distancia que esta pequeñísima partícula es capaz de recorrer.A principios del siglo pasado, la teoría de la relatividad de Einstein dijo que nada en la naturaleza puede viajar más rápido que la luz. Los resultados del equipo de Autiero son, por ahora, la mayor contradicción de ese límite de velocidad cósmico. Sin embargo es vaga la información que se obtiene y que se brinda acerca de esta partícula. Si viaja más rápido que la luz, ¿puede ir al pasado?, ya que alcanza la meta antes de haber salido a ojos del observador. ¿Cómo lo hace?, atajaría acaso por una nueva dimensión sin límites de velocidad. Podrían propagarse en un espacio-tiempo curvo, mientras la luz lo haría en otro ordinario. "Los neutrinos, al contrario que la luz, pueden tomar un atajo a través del espacio y por eso parecen más rápidos". Esta solución no obliga a tirar la teoría de la relatividad a la basura, sino a añadirle una nueva dimensión. De aquí el propósito de este texto para brindar información subjetiva que le permitirá analizar, conocer, juzgar y sacar vuestras propias conclusiones acerca del tema.3 FISICA II / UNJFSC / II
  4. 4. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS INTRODUCCIÓN El neutrino es el centro en la actualidad de grandes debates en física de partículas, astrofísica y cosmología y ocupa un lugar dominante en las discusiones y proyectos habidos y por haber. Desde el descubrimiento de la radioactividad, se ha tratado de entender mejor esta misteriosa partícula que ha llevado a plantear problemas y preguntas de distinto alcance y consideración. Mientras que ya en los años treinta del siglo pasado se comenzó a discutir sobre su naturaleza, en particular, sobre si era idéntico a su antipartícula con el trabajo pionero y novel del físico italiano E.Majorana, hubo que esperar hasta finales de los sesenta y principios de los setenta para que problemas como el de los neutrinos solares, la materia oscura, los rayos cósmicos y tantos otros para que los físicos empezaran a valorar la importancia de la Física subyacente. La idiosincrasia de las interacciones débiles, e incrédulas dentro del marco de la física de partículas es de tal magnitud que hasta la fecha ha habido una gran cantidad de trabajo e investigación en tratar de comprender la física subyacente de las partículas típicas de estos procesos, los neutrinos. Físicos como Fermi, el desaparecido Majorana y muchos otros han contribuido a su estudio aunque todavía quedan interrogantes por responder. También, en el campo de la astrofísica han aparecido multitud de fenómenos que han llevado a que el neutrino ocupe un lugar privilegiado en la actualidad porque gran parte de ellos no sólo parecen indicar nueva física más allá del estado actual de nuestros conocimientos sino también una conexión entre problemas de la física de partículas, la cosmología y la astrofísica que nunca antes hubiéramos sospechado. Y aquí estamos, en pleno siglo veintiuno, y con un montón de preguntas abiertas y con el “inocente” neutrino ya no tan inocente...4 FISICA II / UNJFSC / II
  5. 5. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS DEFINICIÓN DE UN NEUTRINO Es un Leptón, o sea un fermión sin color o carga hadrónica. Fue Fermi quien le dio el nombre de neutrino al ser el primero en formular una teoría que describía sus interaccione. Podemos encontrar neutrinos electrónicos (νe), neutrinos muónicos (νµ) y neutrinos tauónicos (ντ). ELUSIVOS: Los neutrinos no tienen carga y casi no tienen masa y solo interactúan por la fuerza débil. Su sección eficaz es de 10−44cm2 por lo que detectar un neutrino es muy poco probable. Es más se necesitaría un muro de plomo de 1 año-luz de ancho para detener la mitad de los neutrinos que le atraviesen. Esto complica su detección pues se necesitan blancos enormes y mucha paciencia. OBTENCIÓN DE NEUTRINOS: Por procesos generadores:  Decaimientos radiactivos (procesos nucleares).  Choques de partículas a altas energías. Por fenómenos generadores:  Decaimientos de elementos radiactivos en el subsuelo.  Neutrinos solares.  Neutrinos atmosféricos producidos por rayos cósmicos.  Radiación de fondo cósmico de neutrinos.  Neutrinos artificiales.  Supernovas.  Gamma RayBurst. Fenómenos generadores de neutrinos:  Neutrinos artificiales.  Decaimientos de elementos radiactivos en el subsuelo.  Neutrinos atmosféricos producidos por rayos cósmicos.  Neutrinos solares.  Supernovas.  Gamma RayBurst.  Radiación de fondo cósmico de neutrinos.5 FISICA II / UNJFSC / II
  6. 6. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Neutrinos de Fondo: Son neutrones generados por procesos naturales aquí en la tierra que dificultan la detección de objetos celestes distintos del Sol. Los principales componentes son partículas provenientes del decaimiento de elementos radioactivos del interior de la tierra y de choque de rayos cósmicos con átomos de la atmosfera.6 FISICA II / UNJFSC / II
  7. 7. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Tipos de detectores: Radioquímicas: usan algún proceso radiactivo que involucra un neutrino para ocasionar una transmutación para después contabilizar los átomos transmutados. Se pierde la información espacial y temporal. Detectores de radiación de Cherenkov: aprovechan el hecho que en la interacción de un neutrino se generan partículas cargadas que viajan más rápido que la luz en ese medio, ocasionando la radiación de Cherenkov, una onda de choque electromagnética. Cintilación: Usan un medio que al ser bombardeado con partículas cargadas genera cierta cantidad de fotones. El más famoso de este tipo son los detectores de cloro que fue desarrollado por Raymond Davis en 1967 y construido en Homestake Dakota del Sur, y consistía en un tanque lleno de 390.000 litros de percloretileno (C2Cl4), compuesto usado en limpieza. El experimento usa el decaimiento beta inverso νe +37 Cl → e− +37Ar El detector busca un tipo específico de neutrinos proveniente de las reacciones nucleares al interior del Sol. La reacción promedio de la cadena pp que genera el 98 % de la energía del Sol es: 4p+ → α + 2e + + 2ν Los detectores de cloro están diseñados para el rango de energía bajo de estos neutrinos (umbral de energía de 814 keV).Esta es su mayor ventaja7 FISICA II / UNJFSC / II
  8. 8. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Integración Geoquímica del flujo de neutrinos B8: Se aprovecha la reacción: ve + 98 Mo → e− + 98Tc Dado que la vida media del Tecnecio es de 4,2 · 106 todo el tecnecio encontrado se deberia´ a esta reacción. En tiempos geológicos: 10 átomos de Tc por gramo de Mo(108 átomos en 2600 ton). Comprobación de la estabilidad termal del núcleo solar en períodos largos de tiempo. Lista de observatorios: GALLEX (Galio-Germanio), GaCl3, umbral 233,2 keV. GNO (Galio-Germanio),GaCl3, umbral 233,2 keV. Homestake-Chlorine (Cloro-Argon), C2Cl4, umbral 814 keV. Homestake-Iodine (Yodo-Xenon), NaI, umbral 789 keV. SAGE (Galio-Germanio), umbral 233,2 keV. BOREXINO CLEAN, Ne. HERON, Helio superfluido, umbral 1 MeV. MOOM, Molibdeno, umbral 168 keV. Detectores de radiaci´onCherenkov Detectores de radiación Cherenkov: Utilizan la radiación de Cherenkov proveniente de subproductos del choque de un neutrino para su detección (propuesto por Markov y Greisen 1960). Poseen como gran ventaja para la astronomía que puede proveer de información direccional de donde provenía el neutrino y cuando ocurrió. Se puede usar el hielo o mares profundos como blanco de partículas haciéndola la alternativa más barata8 FISICA II / UNJFSC / II
  9. 9. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Súper Kamiokande: Este observatorio japonés se ubica 1km bajo tierra en la mina Mozumi en la ciudad de Hida (ex-Kamioka), Japón. Su función es la búsqueda del decaimiento de protones, el estudio de neutrinos solares y atmosféricos, y vigilar la aparición de supernovas en nuestra Galaxia. Tiene 11200 tubos fotomultiplicadores. Estructura cilíndrica de 41,4 metros de alto y 39,3 metros de ancho9 FISICA II / UNJFSC / II
  10. 10. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS IceCube: Telescopio de neutrinos en construcción en el Polo Sur. Al igual que su predecesor AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) está siendo construido por medio de la instalación de fotomultiplicadores entre 1450 y 2450 metros formando un cubo de 1 km cubico. Los sensores son desplegados en cuerdas de 60 módulos. El experimento tiene como metas detectar neutrinos de altas energías de 1011a 1021 eV, con la resolución suficiente para detectar objetos celestes. Se quiere buscar coincidencias entre fuentes de rayo gamma y de neutrinos en el marco de los GRB. Se quiere comprobar la existencia de un neutrino predicho de por la teoría de las supercuerdas.10 FISICA II / UNJFSC / II
  11. 11. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Búsqueda de WIMPs Evento de IceCube Escala del IceCube Detector miniboone11 FISICA II / UNJFSC / II
  12. 12. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Detector AMAND Detector SUPERK El neutrino en la actualidad (1983): En los ochenta, consideraciones prácticas y teóricas han llevado a algunos físicos a proponer que el neutrino puede tener una masa no nula, salvo posibilidades más exóticas. La mecánica cuántica permite entonces un fenómeno llamado “oscilaciones” de neutrinos, esto es, un neutrino electrónico puede, mientras viaja a través del universo, convertirse en muónico o incluso tauónico. En 1979, en otro experimento, F.Reines, todavía en la planta nuclear12 FISICA II / UNJFSC / II
  13. 13. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS de Savannah River, lleva a cabo la medida de la razón entre la corriente neutra y la corriente cargada, con antineutrinos. El resultado no es compatible con las predicciones teóricas y podría ser explicado por las oscilaciones de los neutrinos, aunque no hay conclusiones definitivas todavía. A la luz de este resultado, después corregido por otros experimentos, un equipo de ILL (InstituteLaueLangevin ) intenta encontrar oscilaciones de neutrinos en el reactor nuclear de su Instituto. Luego, muchos experimentos buscan oscilaciones en plantas nucleares de todo el mundo. La historia no para aquí. Desde 1969, un físico llamado Ray Davis intentó, en la mina Homestake, bajo 3000 metros de tierra y rocas, capturar unos pocos neutrinos solares por año usando un detector hecho de 600 toneladas de una solución de cloro. Sus primeros resultados sorprenden y son confirmados hasta hoy por otros experimentos, tras más de 30 años de datos. Nace el problema de los neutrinos solares, esto es, el Sol emite tres veces menos neutrinos que los predichos por el modelo estándar solar. Figura 4. Diagrama del detector ALEPH mostrando la existencia de tres generaciones de neutrinos ligeros El todavía misterioso neutrino: En 1995, el experimento GALLEX publica su resultado final: un déficit de un 40% sobre casi todo el espectro de los neutrinos solares. SAGE confirma ampliamente este número y KAMIOKANDE observa un déficit del 50% para neutrinos por encima de 7.5 MeV. El experimento HOMESTAKE, sensible a neutrinos de esta magnitud había observado un déficit del 70%. El misterio continúa... Dependiendo de la energía de los neutrinos solares, el déficit no es el mismo. El efecto MSW podría explicar este déficit selectivo. KAMIOKANDE, también, observa un déficit de neutrinos muónicos en los rayos cósmicos. Intentar interpretar todos los déficits usando sólo oscilaciones de neutrinos no13 FISICA II / UNJFSC / II
  14. 14. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS es un trabajo fácil... Más aún cuando llegan los resultados obtenidos por el experimento LSND en Los Alamos: oscilaciones entre antineutrinos electrónicos y antineutrinos muónicos. PROPIEDADES,MISTERIOS Y PROBLEMAS: Algunas propiedades. Los neutrinos son partículas subatómicas que son estables, salvo algunas opiniones exóticas entre los físicos y además muy abundantes en el Universo, puesto que se producen en los procesos radioactivos. Postulados hacia 1930 pero indetectados hasta 1956, hasta 1998 todos los datos eran consistentes con que eran partículas sin masa, aun cuando ya había teóricos que postularon neutrinos con una masa dada. Los neutrinos son partículas fundamentales, forman parte de los bloques fundamentales de materia, que se describen por el modelo estándar de física de partículas. Se distinguen cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la fuerza electromagnética, y las fuerzas nuclear fuerte y débil, mas se piensa en la actualidad que pueden estar unificadas a escalas de distancias muy cortas, equivalentemente, a escalas de energía de grandes. Hay 12 partículas fundamentales: seis quarks (eléctricamente cargados y con carga de color) y 6 leptones (que interactúan via la fuerza débil). Cada partícula posee su propia antipartícula. Los neutrinos vienen en “sabores”, esto es, hay un neutrino por cada leptón cargado (electrón, muón y tauón). La quiralidad del neutrino: ¿Que es la quiralidad?. Mírese la mano derecha. Es un objeto asimétrico. Su imagen especular es la mano izquierda. Si se trata de superponer las dos manos hacia uno mismo, no hay manera de conseguirlo. A esto se le llama quiralidad. Algo es quiral cuando no se puede superponer a su imagen especular. Muchas cosas en la naturaleza son quirales. Uno distingue así objetos quirales “derechos” (right) de objetos quirales “izquierdos” (left). Esta diferencia, en general arbitraria, puede estar fundada en la rotación del plano de polarización de un rayo de luz pasando a través de un material de prueba. Usando cierto tipo de azúcar llamado dextrosa, el plano de polarización rota hacia la derecha, cuando se mira el rayo de luz al revés. Se dice entonces que la dextrosa es quiral “derecha” (right). Ésta es la regla. La mayoría de las moléculas de la vida tienen el, plano de polarización a la izquierda: se dice que son de quiralidad “izquierda”. Pero los aminoácidos, que se suponen ser origen de la vida, son de quiralidad “derecha”. Esta diferencia14 FISICA II / UNJFSC / II
  15. 15. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS es un gran misterio que podría estar vinculado a la asimetría de las interacciones débiles, es decir, a los neutrinos. La helicidad del neutrino: ¿Que es la helicidad?. Una de las propiedades principales de las partículas es su espín. Si la proyección del espín de una partícula sobre la dirección de su movimiento es opuesta a ésta, la partícula se dice que tiene helicidad “izquierda”. En caso contrario, se dice que tiene helicidad “derecha”. Teóricamente, los neutrinos sin masa sólo tienen helicidad izquierda. Es peculiar de la interacción débil el producir sólo neutrinos con este tipo de helicidad. Un neutrino puede ser quiral izquierdo o derecho, pero un neutrino de masa nula que tenga helicidad izquierda será siempre de quiralidad izquierda... Los términos “izquierda” o “derecha” (a menudo representados por las letras L y R) se refieren a la quiralidad derecha o izquierda. En el límite de masa cero corresponden a la helicidad izquierda o derecha. En 1937, el físico EttoreMajorana, italiano, elaboró una teoría muy simétrica del neutrino y el antineutrino. Si su teoría es correcta se da la identidad entre neutrinos y antineutrinos. Entonces es posible un modo especial de desintegración: la desintegración beta doble sin neutrino. El neutrón del núcleo se desintegra emitiendo un antineutrino, que si es idéntico al neutrino, puede ser reabsorbido por un protón del núcleo, llegando a ser un neutrón emitiendo un positrón o antielectrón. El balance final es: no hay neutrino, sino un electrón y un positrón. Los experimentos que están buscando o han buscado este tipo de desintegración no han encontrado aún ninguna señal. En tales experimentos, el “ruido” o señal de fondo es grande y este tipo de “decay” es muy raro, ¡ si es que existe !. LA MATERIA OSCURA: Desde hace más de 20 años, un estrañopuzzle ocupa la mente de los astrofísicos. Medidas de la velocidad orbital de las estrellas en muchas galaxias proporciona resultados inesperados. Las estrellas exteriores de las galaxias orbitan más rápidamente que lo esperado. Se ha dudado de la gravitación e incluso inventado una quinta fuerza, la quintaesencia, también llamada en ocasiones energía oscura. Sin embargo, nada ha sido capaz de dar una explicación simple a las altas velocidades. Una explicación que ha surgido también ha sido la materia oscura, que, invisible, orbita alrededor y en el interior de las galaxias, solamente detectable a través de la interacción gravitatoria. Si los neutrinos fuesen masivos, serían buenos candidatos para este tipo de materia oscura puesto que la teoría predice 330 neutrinos por cm3. Un buen candidato sólo si su masa no es ni muy pequeña ni muy grande.15 FISICA II / UNJFSC / II
  16. 16. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS RAYOS CÓSMICOS DE ALTA ENERGÍA: También desde hace 30 años, un fenómeno cuyo origen es desconocido se denomina “rayos cósmicos” y se mantiene envuelto en un halo de misterio. Los rayos cósmicos de alta energía procedentes de algún lugar en el universo producen chorros de partículas (piones, kaones, muones, electrones, neutrinos, fotones,...) cuando colisionan con los átomos de nuestra atmósfera. Algunos de estos rayos cósmicos han sido detectados y se encontró que tienen más energía que una pelota de tenis durante un “ace”. Por ahora, ningún fenómeno cósmico conocido podría acelerar una partícula para alcanzar tal energía. Algunos astrofísicos piensan que estas partículas cósmicas de alta energía podrían ser neutrinos. Pero ¿de dónde adquieren tal energía?. El problema está abierto. Hay una cota experimental a la máxima energía de rayos cósmicos que no se verifica, como acabamos de mencionar. A esto se le llama límite GZK, o GZK “cut-off”. Se han propuesto soluciones del tipo ruptura de la invariancia Lorentz a ciertas escalas de distancias o, incluso, que pueden estar formados por neutrinos procedentes del Big Bang, pero todavía está todo muy oscuro. EL PROBLEMA DE LOS NEUTRINOS SOLARES: El problema de los neutrinos solares ha existido durante treinta años, tiempo durante el cual ha llegado a ser cada vez más complejo. Lo que empezó en los años sesenta como un “simple” déficit de neutrinos solares observados frente a las espectativas teóricas, ha crecido en una campo que marca indicios de nueva física y nos lleva a probar nuestro conocimiento actual de la teoría electrodébil. Esto puede parecer sorprendente si se recuerda que fue originariamente diseñada la observación de neutrinos solares para confirmar la fusión nuclear como mecanismo que dota de energía al sol. Hay evidencias feacientes de que la fusión del hidrógeno en helio es el proceso que proporciona al sol su energía. El argumento más simple es una consideración de las escalas de tiempo térmicas y gravitacionales, la razón de la energía gravitacional del sol con su luminosidad. A esta escala de tiempo térmica o de Kelvin-Helmholtz es aproximadamente igual a la escala de tiempo gravitacional. Su equivalencia está garantizada por el teorema del virial: Esta estimación está de acuerdo con otras líneas de la física, tales como la edad de las rocas más viejas de la tierra 3.7 Gyr (giga años, yr = year = año), la edad de los meteoritos (4.5 Gyr) y la evidencia fósil biológica.16 FISICA II / UNJFSC / II
  17. 17. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS El único proceso conocido que puede proporcionar al sol tanta energía durante tanto tiempo es la lenta quema de hidrógeno en helio, cuyo proceso básico es el siguiente: El modelo estándar solar se funda en cuatro hipótesis: 1º. El sol se encuentra esencialmente en equilibrio hidrostático, manteniendo un balance local entre la fuerza gravitacional y la presión de radiación. Para describir esta condición en detalle, uno debe especificar la ecuación de estado como función de la temperatura, densidad y composición. 2º. La energía se transporta por radiación y convección. Mientras en las capas externas domina el transporte convectivo, el transporte radiativo domina en las capas más internas del sol donde ocurren las reacciones nucleares. La opacidad depende sensitivamente de la composición, particularmentede las abundancias relativas de los elementos más pesados. 3º. Las reacciones termonucleares generan la energía solar. El modelo estándar solar predice que el 98% de la energía se produce por la reacción en cadena de pares de protones, de dos en dos,en 4He via la reacción: 4º. El modelo está forzado a producir el radio, masa y luminosidad solar actuales. Una importante asunción del modelo estándar es que el sol era altamente convectivo y, por ende, uniforme en composición cuando entró en la secuencia principal. Se asume, además que las abundancias superficiales de metales no fueron perturbadas por la evolución subsecuente, proporcionando así una marca de la metalicidad inicial solar. El parámetro restante adicional es la razón de Helio 4 e hidrógeno inicial, que se ajusta para reproducir los valores actuales de luminosidad tras 4.6 miles de millones de años de evolución, típicamente del orden de 0.27 ± 0.01, que se puede comparar al valor del Big Bang 0.23±0.01. Obsérvese que el sol se formó de material previamente procesado.17 FISICA II / UNJFSC / II
  18. 18. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS El modelo estándar solar. LAS OSCILACIONES DEL NEUTRINO: En la actualidad, la mayoría de las cotas sobre las masas de los neutrinos son consistentes con suponerlas nulas, exceptuando resultados recientes como el de Fukuda et al.(1998), indican que estas masas podrían ser finitas y no nulas, tal como reivindica, por ejemplo, la astrofísica de neutrinos. El propósito de este apartado es proporcionar una visión cuantitativa y cualitativa de cómo puede medirse la diferencia de masas de los neutrinos usando un efecto de oscilación puramente cuántico, que es análogo al formalismo de mezcla de quarks en el modelo estándar de partículas. La teoría subyacente se basa en la idea de que las distintas especies de neutrinos son diferentes estados de la misma entidad física que denominamos neutrino.18 FISICA II / UNJFSC / II
  19. 19. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS . Oscilaciones del neutrino Mecanismo de oscilación en el vacío: En la desintegración beta y más generalmente en las interacciones débiles, el electrón está asociado con una partícula neutra denominada neutrino nu-e. El muón, o leptón mu es una partícula que existe en la naturaleza completamente idéntico al electrón salvo en la masa: m-mu~200me. Análogamente, el muón tiene interacciones débiles idénticas a las del electrón, pero asociadas a su propio neutrino, nu-mu. Por ejemplo, un haz de neutrinos producido en un acelerador de partículas puede interactuar con un neutrón n en un núcleo para producir un protón vía las reacciones: mientras las reacciones siguientes nunca han sido observadas: :19 FISICA II / UNJFSC / II
  20. 20. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS EL NEUTRINO EN CIFRAS (1) Neutrinos en las estrellas. -Nuestro Sol emite unos 2 x 1038 neutrinos por segundo...Y la Tierra recibe más de 40 mil millones de neutrinos por segundo y cm2, flujo que es indetectable por los cinco sentidos del homo sapiens. (2) Neutrinos en el Universo. -En el Big Bang se producieron unos 330 neutrinos por cm3. -Una estrella produce unos 0.000006 neutrinos por cm3. -Las explosiones de supernovas producen 0.0002 neutrinos por cm3. (3) Energías de los neutrinos.(Recordar la equivalencia entre eV y J) -Energía de los neutrinos del Big Bang, los más numerosos, también los menos energéticos: 0.0004 eV. (Todavía tendrán una velocidad de unos 2000 km/s si su masa es del orden de 10 eV/c2). -Energía de los neutrinos procedentes del sol: entre 0 y 20 MeV, dependiendo de su origen. -Energía de los neutrinos procedentes de reactores nucleares: entre 1 y 10 MeV, energía media 4.0 MeV. -Energía de los neutrinos procedentes de aceleradores actuales: entre 30 MeV( LSND)y 30 GeV (NOMAD). -Sección eficaz por interacciones con nucleones: 10-38 cm2 a energía de 1 GeV, creciente con la energía. ALGUNOS NÚMEROS SORPRENDENTES: -Nuestro cuerpo contiene unos 20 miligramos de Potasio 40, que es beta- radioactivo. Como consecuencia, emitimos unos 340 millones de neutrinos por día sin saberlo o notarlo. Los neutrinos interactúan débilmente, luego hay por tanto 340 millones de neutrinos por díaquereocrren nuestro cuerpo a velocidad cercana( si no igual) a la de la luz hasta los sitios más remotos del universo. -Un experimento como NOMAD detecta alrededor de un neutrino cada 10 segundos. Éste deposita una media de 27 GeV en el detector. Así, durante la duración del experimento, los neutrinos habrán depositado poco más de 0.03 Julios, que es unas 10 veces menos que la energía involucrada en un estornudo. -En NOMAD, el detector está “activo” sólo durante algunos milisegundos, En toda la duración del experimento( desde 1994 hasta 1998) el detector permaneció entonces “activo” sólo durante 15 horas. -También en NOMAD, el detector usa un imán o magneto de 0.4 Teslas ( 2000 veces el campo magnético terrestre) creado por una corriente de 571320 FISICA II / UNJFSC / II
  21. 21. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Amperios. Desde 1994 hasta 1998 consumió entonces unos 200 billones de Julios, 10000 veces el consumo eléctrico de un hogar medio en ese mismo período de tiempo( 4 años). Los Neutrinos: Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín 1/2. Desde hace unos años se sabe, en contra de lo que se pensaba, que estas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y es muy difícil medirla. Hoy en día (2012), se cree que la masa de los neutrinos es inferior a unos 5,5 eV/c2 lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno.2 Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla. La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos. En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética onuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria. Historia del neutrino: La existencia del neutrino fue propuesta en 1930 por el físico Wolfgang Pauli para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones según la siguiente ecuación: Pauli interpretó que tanto la masa como la energía serían conservadas si una partícula hipotética denominada «neutrino» participase en la desintegración incorporando las cantidades perdidas. Desafortunadamente,21 FISICA II / UNJFSC / II
  22. 22. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS la partícula prevista había de ser sin masa, ni carga, ni interacción fuerte, por lo que no se podía detectar con los medios de la época. Esto era el resultado de una sección eficaz muy reducida ( ). Durante 25 años, la idea de la existencia de esta partícula sólo se estableció de forma teórica. De hecho, es muy pequeña la posibilidad de que un neutrino interactúe con la materia ya que, según los cálculos de física cuántica, sería necesario un bloque de plomo de una longitud de un año luz (9,46 billones de kilómetros) para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesaran. En 1956 ClydeCowan y Frederick Reines demostraron su existencia experimentalmente. Lo hicieron bombardeando agua pura con un haz de 1018 neutrones por segundo. Observaron la emisión subsiguiente de fotones, quedando así determinada su existencia. A este ensayo, se le denomina experimento del neutrino. En 1987 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron los dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos. En septiembre de 2011, la colaboración OPERA anunció que el análisis de las medidas para la velocidad de los neutrinos en su experimento arrojaba valores superlumínicos. En particular, la velocidad de una cierta clase de neutrino podría ser un 0,002 % mayor que la de la luz,3 4 lo que aparentemente contradiría la teoría de la relatividad. Clases de neutrinos: Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas (o sabores): neutrino electrónico ( ), neutrino muónico ( ) y neutrino tauónico ( ) más sus respectivas antipartículas. Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (es decir, cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío. Dada la aleatoriedad del proceso, las proporciones entre cada uno de los sabores tienden a repartirse por igual (1/3 del total para cada tipo de neutrino) a22 FISICA II / UNJFSC / II
  23. 23. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS medida que se producen sucesivas oscilaciones. Fue este hecho el que permitió considerar por primera vez la oscilación de los neutrinos, ya que al observar los neutrinos procedentes del Sol (que deberían ser principalmente electrónicos) se encontró que sólo llegaban un tercio de los esperados. Los dos tercios que faltaban habían oscilado a los otros dos sabores y por tanto no fueron detectados. Esto es el llamado «Problema de los neutrinos solares». Fuentes de neutrinos: El Sol es la más importante fuente de neutrinos a través de los procesos de desintegración beta de las reacciones que acaecen en su núcleo. Como los neutrinos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar atravesando también la Tierra. Aparte de las reacciones nucleares, hay otros procesos generadores de neutrinos, los cuales se denominan neutrinos térmicos ya que, a diferencia de los neutrinos nucleares, que absorbe parte de la energía emitida por dichas reacciones para convertirla en neutrinos. De esta forma, una parte de la energía fabricada por las estrellas se pierde y no contribuye a la presión, siendo la razón por la que se dice que los neutrinos son sumideros de energía. Su contribución a la energía emitida en las primeras etapas23 FISICA II / UNJFSC / II
  24. 24. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS (secuencia principal, combustión del helio) no es significativa, pero en los colapsos finales de las estrellas más masivas, cuando su núcleo moribundo se encuentra a elevadísimas densidades, se producen muchos neutrinos en un medio que ya no es transparente a ellos, por lo que sus efectos se tienen que tener en cuenta. Según los modelos solares, se debería recibir el triple de neutrinos que se detectan, ausencia que es conocida como el problema de los neutrinos solares. Durante un tiempo se intentó justificar este déficit revisando los modelos solares. El Sol quema el hidrógeno principalmente mediante dos cadenas de reacciones, la PPI y la PPII. La primera emite un neutrino y la segunda dos. Las hipótesis que se plantearon fueron que, quizá, la PPII tuviera una ocurrencia menor a la calculada debido a una falta de helio en el núcleo favorecido por algún tipo de mecanismo (frenado de la rotación por viscosidad) que mezclara parte del helio producido con el manto lo cual reduciría la cadencia de la PPII. Actualmente el problema va camino de resolverse al plantearse la teoría de la oscilación de neutrinos. Fuentes artificiales: Las principales fuentes de neutrinos artificiales son las centrales nucleares, las cuales pueden llegar a generar unos 5·1020 anti-neutrinos por segundo, y en menor medida, los aceleradores de partículas. Fenómenos astrofísicos24 FISICA II / UNJFSC / II
  25. 25. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS Supernova: En las supernovas tipo II son los neutrinos los que provocan la expulsión de buena parte de la masa de la estrella al medio interestelar. La emisión de energía en forma de neutrinos es enorme y sólo una pequeña parte se transforma en luz y en energía cinética. Cuando sucedió la SN 1987A los detectores captaron el débil flujo de neutrinos procedentes de la lejana explosión. Radiación cósmica de fondo Se cree que, al igual que la radiación de microondas de fondo procedente del Big Bang, hay un fondo de neutrinos de baja energía en nuestro Universo. En la década de 1980 se propuso que éstos pueden ser la explicación de la materia oscura que se piensa que existen en el universo. Los neutrinos tienen una importante ventaja sobre la mayoría de los candidatos a materia oscura: Sabemos que existen. Sin embargo, también tienen problemas graves. De los experimentos de partículas, se sabe que los neutrinos son muy ligeros. Esto significa que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Así, la materia oscura hecha de neutrinos se denomina «materia oscura caliente». El problema es que, al encontrarse en rápido movimiento, los neutrinos habrían tendido a expandirse uniformemente en el Universo, antes que la expansión cosmológica los enfriara lo suficiente como para concentrarse en cúmulos. Esto causaría que la parte de materia oscura hecha de neutrinos se expandiera, siendo incapaz de formar las grandes estructuras galácticasque vemos. Además, estas mismas galaxias y grupos de galaxias parecen estar rodeadas de materia oscura que no es lo suficientemente rápida para escapar de estas galaxias. Presumiblemente, esta materia proveyó el núcleo gravitacional para la formación de estas galaxias. Esto implica que los neutrinos constituyen sólo una pequeña parte de la cantidad total de materia oscura. De los argumentos cosmológicos, los neutrinos reliquia (del fondo de baja energía) son estimados en poseer densidad de 56 por cada centímetro25 FISICA II / UNJFSC / II
  26. 26. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS cúbico, y de tener temperatura de 1.9 K (1.7×10−4 eV), esto es, si no poseen masa. En el caso contrario, serían mucho más fríos si su masa excede los 0.001 eV. Aunque su densidad es bastante alta, debido a las extremadamente bajas secciones cruzadas de neutrinos a energías bajo 1 eV, el fondo de neutrinos de baja energía aún no ha sido observado en el laboratorio. Detectores de neutrinos: Al conocerse con exactitud las reacciones nucleares que se dan en el Sol se calculó que un apreciable flujo de neutrinos solares tenía que atravesar la Tierra a cada instante. Este flujo es enorme pero los neutrinos apenas interactúan con la materia ordinaria. Incluso las condiciones del interior del Sol son «transparentes» a éstos. De hecho, un ser humano es atravesado por miles de millones de estas diminutas partículas por segundo sin que se entere. Así pues se hacía difícil concebir algún sistema que pudiese detectarlos. Los neutrinos ya no son más rápidos que la luz, segun nueva prueba. Tras un nuevo experimento, los científicos del CERN descubrieron que los neutrinos en realidad no viajan más rápido que la luz. El año pasado, los investigadores obtuvieron extraños resultados en un rayo de26 FISICA II / UNJFSC / II
  27. 27. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS neutrinosenviadodesde Suiza al laboratorio Gran Sasso en Italia, que parecían estar demorándose menos que la luz en recorrer el trayecto – un resultado que alteraba gran parte de las teorías de la física. Pero recientemente se descubrió un error que podría invalidar el resultado, de modo que los investigadores volvieron a medir un rayo de neutrinos del mismo tipo, usando esta vez el experimento ICARUS para hacer la medición, en lugar del experimento OPERA que había sido usado anteriormente. Al parecer, OPERA estaría entregando un resultado alterado, “pero es importante ser rigurosos, y los experimentos BOREXINO, ICARUS, LVD y OPERA en Gran Sasso harán nuevas mediciones con rayos de neutrinos enviados desde el CERN en mayo, para entregarnos el veredicto final”, afirmó el director de la investigación, Sergio Bertolucci. Aun si no viajan más rápido que la luz, los neutrinos tienen otras propiedades interesantes, como enviar mensajes a través de paredes o planetas, entre otras cosas. Los neutrinos producidos en el Sol tienen energía diferentes. Los diferentes tipos de detectores son sensibles a diferentes rangos de energía. Imagen cortesía de John Bahcall, Instituto de Estudios Avanzados.27 FISICA II / UNJFSC / II
  28. 28. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS El Problema de los Neutrinos Solares: Las teorías sobre la fusión en el centro del Sol predicen el número deneutrinos que deben llegar a la Tierra.Experimentosen la Tierra han sido diseñados para detectar a los neutrinos y poner a prueba estos modelos. Las mediciones obtenidas hasta hoy demuestran que hay menos neutrinos de los que predecían los modelos. El primer experimento fué realizado en la mina de Homestake en Dakota del Sur. Un detector de 600-toneladas de cloro líquido fué usado. Se encontró un tercio del total de los neutrinos que se esperaban. El experimento en Kamioka, Japón, encontró la mitad de los neutrinos predichos. Experimentos recientes en Rusia (SAGE) e Italia (GALLEX) utilizan Galio para detectar neutrinos y han encontrado flujos de neutrino hasta un 70% del previsto. Los científicos aún están tratando de conocer porqué las cuentas actuales no igualan al número de neutrinos que se esperaba vinieran del Sol. El Observatorio de Neutrinos Sudbury (Sudbury Neutrino Observatory , SNO), un detector Cherenkov de 1000 toneladas de agua , en construcción en las minas de INCO Creighton cerca de Sudbury, Ontario (Canada). Los detectores de neutrinos son unos tanques largos subterráneos que están28 FISICA II / UNJFSC / II
  29. 29. ESTUDIO DE LOS NEUTRINOS llenos de un fluído que reaccionan con el paso de los neutrinos. ¡En la detección de neutrinos, mientras más grande mejor! Mientras más grande es el tanque (detector), más neutrinos se podrán detectar. Un ejemplo de detector de neutrino es el Super-Kamionkande bajo construcción en Japón. Algunos detectores de neutrinos usan agua como líquido dentro del tanque. Pero he aquí una curiosidad: ¡los detectores antiguos de neutrino estaban llenos con percloroetano, un tipo de líquido de limpieza! REFERENCIA BIBLIOGRAFICA: http://es.wikipedia.org/wiki/Neutrino http://www.publico.es/ciencias/398042/el-neutrino-desafia-a-einstein http://icecube.wisc.edu/info/neutrinos http://elneutrino.blogspot.com/ http://cienciaysalud.laverdad.es/2_1_12.html http://www.tendencias21.net/Cientificos-norteamericanos-detectan-la- existencia-de-dimensiones-adicionales_a861.html http://www.astrored.org/enciclopedia/articulos/universo/cosmologia/neutrinos- 596.html http://ecos.blogalia.com/historias/5703329 FISICA II / UNJFSC / II

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