domingo, 11 de octubre de 2015

El Premio Nobel de Física 2015 reconoce a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald, por sus contribuciones que demostraron que los neutrinos poseen masa. El descubrimiento ha cambiado nuestra comprensión del funcionamiento más íntimos de la materia y puede resultar crucial para nuestra visión del universo.

Allás por el 2000 Takaaki Kajita descubrió los neutrinos a través del detector Super-Kamiokande en Japón. Mientras tanto, un grupo de investigación en Canadá dirigido por Arthur B. McDonald demostró que los neutrinos procedentes del Sol no se desintegraban al atravesar la atmósfera. En su lugar, ocurrían oscilaciones que fueron capturadas por el Observatorio de Neutrinos de Sudbury.

Neutrinos, neutrinos

El descubrimiento recompensado con el Premio Nobel de este año en Física han aportado información crucial en el mundo de todos, pero escondido de neutrinos. Después de fotones, las partículas de luz, los neutrinos son los más numerosos en todo el cosmos. La Tierra está constantemente bombardeado por ellos.

Algunos fueron creados en el Big Bang, otros están constantemente creándose en diversos procesos en el espacio y en la Tierra -explosión de supernovas, muerte de estrellas masivas, reacciones en plantas de energía nuclear y desintegraciones radiactivas naturales-. Incluso dentro de nuestros cuerpos un promedio de 5,000 neutrinos por segundo se libera cuando un isótopo de potasio se descompone.

La mayoría de los neutrinos que llegan a la Tierra se originan en reacciones nucleares en el interior del Sol. Después de las partículas de luz, los fotones, los neutrinos son las más numerosas partículas en el universo entero.

Durante mucho tiempo, sin embargo, su existencia siquiera estaba demostrada. Todo lo contrario; cuando de la partícula fue propuesta por el austriaco Wolfgang Pauli (Premio Nobel en 1945) era principalmente un desesperado intento de explicar la conservación de energía en la desintegración beta, un tipo de desintegración radiactiva en núcleos del átomo. En diciembre de 1930, Pauli escribió una carta a sus colegas físicos: en esta sugiere que parte de la energía es absorbida por una partícula eléctricamente neutra, de interacción débil y muy ligera. Pauli, a sí mismo, apenas creía en la existencia de esta partícula. Él supuestamente declaró: "He hecho una cosa terrible, he postulado una partícula que no puede ser detectada".

Pronto Enrico Fermi (Premio Nobel en 1938) fue capaz de demostrar una teoría elegante que incluía partículas de peso ligero, como la propuesta por Pauli. Fue llamada neutrino. Nadie podía predecir que esta pequeña partícula revolucionaría tanto la física de partículas y la cosmología. Haría falta un cuarto de siglo antes de que el neutrino fue realmente descubierto. La oportunidad vino aproximadamente en la década de 1950, cuando los neutrinos comenzaron a detectarse en un gran número de plantas de energía nuclear después de haber sido construidas.

En junio de 1956, dos físicos estadounidenses, Frederick Reines (Premio Nobel en 1995) y Clyde Cowan enviaron un telegrama a Wolfgang Pauli - los neutrinos habían dejado huellas en su detector. los descubrimiento mostraban que el neutrino fantasmal, o duende, como había sido llamada, era una partícula real.

Búsqueda y caza subterránea de neutrinos

Super-Kamiokande detecta neutrinos que atraviesan la atmósfera. Cuando un neutrino colisiona con una molécula de aguaa en el tanque, una partícula cargada es creada. A la vez que se genera radiación Cherenkov que es analizada por los detectores de luz. Su brillo e intensidad revela el tipo de neutrino que la produce y de donde proviene.Créditos: Nobel Foundation.
Desde la década de 1960, los científicos habían calculado teóricamente el número de neutrinos que se creaban en las reacciones nucleares del Sol, pero al realizar mediciones en la Tierra, hasta dos terceras partes faltaban, ¿dónde habían ido los neutrinos?

No hubo falta de respuestas. Tal vez había algo mal con los cálculos teóricos de cómo los neutrinos se producían en el Sol. Otra sugerencias para resolver el rompecabezas de neutrinos solares fue que los neutrinos cambian identidades.

De acuerdo con el Modelo Estándar de la física de partículas hay tres tipos de neutrinos - neutrinos electrónicos, neutrinos-muones y neutrinos-tau. Cada uno tiene su respectivo compañero, el electrón, el muón y el tau, sus dos familiares mucho más pesadas y de corta duración, El Sol sólo produce electrones neutrinos. Pero si ellos se transformaran en neutrinos-muón o neutrinos-tau en su camino hacia la Tierra, eso haría que el déficit del capturado electrones neutrinos fuera comprensible.

Las especulaciones sobre el cambio de identidad del neutrino permanecieron sólo como especulaciones hasta el desarrollo de detectores. Día y noche neutrinos fueron cazados en colosales detectores construidos bajo tierra, que protegen del ruido de la radiación cósmica del espacio y radiación espontánea en los alrededores.
Sin embargo, es difícil separar señales de neutrinos de miles de millones falsas. Hasta el aire en las minas y el material detector contienen de forma natural señales falsas que decaen e interfieren con las mediciones.

El detector Super-Kamiokande  comenzó a funcionar en 1996 en una mina de zinc a 250 kilómetros al noroeste de Tokio,  mientras Sudbury Neutrino Observatory, fue construido en una mina de níquel en Ontario, comenzando sus observaciones en 1999.  Juntos develaron la naturaleza camaleónica del neutrino, el descubrimiento de que es recompensado con el Premio Nobel de este año en Física.

Super-Kamiokande es un detector gigante de 1,000 metros bajo la superficie de la Tierra. Se compone de un tanque, de 40 metros de altura, lleno con 50,000 toneladas de agua. El agua es tan pura que los rayos de luz pueden viajar 70 metros antes de que se redujoa a la mitad su intensidad, en comparación con sólo un par de metros en una piscina común. Más de 11,000 detectores de luz se encuentran a sus lados y la parte inferior del tanque, con la tarea de descubrir, amplificar y medir la luz que parpadea muy débil en el agua ultra pura.

La gran mayoría de los neutrinos pasan a través del tanque, pero de vez en cuando, un neutrino choca con un núcleo atómico o un electrón en el agua. En estas colisiones crean partículas cargadas -muones desde neutrinos-muón y electrones neutrinos-electrónicos. Alrededor de las partículas cargadas, destellos tenues de azul la luz se generan. Esta es la luz Cherenkov, que surge cuando una partícula viaja más rápido que la velocidad de la luz. Esto no está en contradicción con la teoría de Einstein de la relatividad, que afirma que nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío. En el agua, la luz es más lento, aproximadamente un 75 por ciento de su velocidad máxima, y puede ser "superada" por partículas cargadas. La forma y la intensidad de la luz Cherenkov revela
qué tipo de neutrino la causa y de donde viene.

Perspectivas

Ahora los experimentos continúan y una intensa actividad está en marcha en todo el mundo con el fin de capturar neutrinos y examinar sus propiedades. Se espera que los nuevos descubrimientos acerquen a sus secretos más profundos para cambiar nuestra comprensión actual de la historia, la estructura y futuro del universo.

Referencia:
The Nobel Foundation

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