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Neutrino

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Neutrino
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Presentación

Los neutrinos (término inventado por el científico italiano Enrico Fermi, que en italiano significa ‘pequeños neutrones’) 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.[1]

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Hoy en día (2015), 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. 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

Clases

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) a 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».

La oscilación de los neutrinos implica directamente que éstos han de tener una masa no nula, ya que el paso de un sabor a otro sólo puede darse en partículas masivas.

Implicaciones astrofísicas de su masa

En el modelo estándar se consideraba inicialmente al neutrino como a una partícula sin masa. De hecho, en muchos sentidos se la puede considerar de masa nula pues ésta es, por lo menos diez mil veces menor que la del electrón. Esto implica que los neutrinos viajan a velocidades muy cercanas a la de la luz. Por ello, en términos cosmológicos al neutrino se le considera materia caliente, o materia relativista. En contraposición la materia fría sería la materia no relativista.

En 1998, durante la conferencia 0-mass neutrino, se presentaron los primeros trabajos que mostraban que estas partículas tienen una masa ínfima. Previamente a estos trabajos se había considerado que la hipotética masa de los neutrinos podía tener una contribución importante dentro de la materia oscura del Universo. Sin embargo, resultó que la masa del neutrino era insuficiente, demasiado pequeña para ser siquiera tenida en cuenta en la ingente cantidad de materia oscura que se calcula que hay en el universo. Por otro lado, los modelos de evolución cosmológica no cuadraban con las observaciones si se introducía materia oscura caliente. En ese caso las estructuras se formaban de mayor a menor escala. Mientras que las observaciones parecían indicar que primero se formaron las agrupaciones de gas, luego estrellas, luego proto galaxias, luego cúmulos, cúmulos de cúmulos, etc. Las observaciones, pues, cuadraban con un modelo de materia oscura fría. Por estos dos motivos se desechó la idea de que el neutrino contribuyera de forma destacada a la masa total del universo.

Fuentes

Generación de neutrinos solares en las cadenas protón-protón

El Sol

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, se 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 etapas (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 astrofísicos

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 existe 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 galácticas que 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 centímetro 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.

En contraste, neutrinos solares de boro-8, que son emitidos con una mayor energía, han sido detectados definitivamente a pesar de poseer una densidad espacial más baja que la de los neutrino reliquia, alrededor de 6 órdenes de magnitud.

La Tierra y la atmósfera

Las reacciones de desintegración beta de isótopos radiactivos terrestres proporcionan una pequeña fuente de neutrinos, que se producen como consecuencia de la radiación natural de fondo. En particular, las cadenas de desintegración de 238,92U and 232,90Th, así como 40,19K, incluyen desintegración beta que emiten anti-neutrinos. Estos llamados geoneutrinos puede proporcionar información valiosa sobre el interior de la Tierra. Una primera indicación de geoneutrinos fue encontrado por el experimento KamLAND en 2005. KamLAND principales antecedentes en la medición de geoneutrino son los anti-neutrinos procedentes de los reactores. Varios experimentos futuros apuntan a mejorar la medición geoneutrino y estas necesariamente tendrá que estar lejos de los reactores.[2]

Este mapa de neutrinos revela la actividad nuclear del planeta

Este mapa de las emisiones globales de neutrino señala las concentraciones de elementos radioactivos naturales y la fisión nuclear generada por humanos.

Mapa de neutrinos.jpg

En lo que se refiere a descubrimientos útiles, el neutrino no parecía demasiado prometedor. Estas partículas fantasmales son producidas por el Sol, por elementos radioactivos y por reactores nucleares, y se radian hacia fuera con cero carga, una masa casi imperceptible y una indiferencia casi total hacia la materia.

La semana pasada, unos científicos publicaron un mapa que muestra el aspecto que tendría el mundo si pudiéramos ver los billones y billones de neutrinos que emanan desde la superficie del planeta cada segundo. Resulta que la naturaleza incontenible de los neutrinos es potencialmente mala si se intenta ocultar algo que sucede en una planta nuclear, pero buena si se quiere monitorizar la actividad nuclear de otros. Manchas oscuras del mapa indican los reactores nucleares y las partes de la corteza terrestre ricas en uranio y torio radioactivos que emiten neutrinos al degradarse.

La tecnología para detectar las rutas de los elusivos neutrinos ha ido mejorando continuamente desde la primera detección oficial en 1959 en la planta nuclear del Río Savannah en Georgia (EEUU). Mientras que la mayoría de los detectores se han construido con el objetivo de estudiar la naturaleza y el comportamiento de los neutrinos, los científicos empiezan a plantear su uso para investigar el interior de la Tierra y monitorizar actividades nucleares. El mapa, publicado en Nature Scientific Reports, fue creado utilizando señales de neutrinos captadas por dos detectores, uno en Italia y otro en Japón, explica William McDonough, un geofísico de la Universidad de Maryland (EEUU) y un coautor del trabajo. El resto del mapa fue construido utilizando datos sobre la composición y la densidad de la corteza terrestre y la ubicación de los reactores de todo el mundo.

Aparecen manchas oscuras alrededor de las cordilleras donde se produce mucha degradación radioactiva de forma natural, según explica. La cordillera del Himalaya es la responsable de una enorme mancha oscura que aparece sobre el sur de Asia. Algunas de las manchas oscuras representan reactores, especialmente en la zona de Francia. (Técnicamente, las manchas de las plantas nucleares se llaman antineutrinos – la contraparte antimateria de los neutrinos – pero todavía se está estudiando la forma en que estos dos tipos de partículas se diferencian).

Lo que hace que los neutrinos sean detectables es el hecho de que existan tantos. Los detectores emplean tanques de aceite mineral del tamaño de un bloque de pisos, por los que billones de neutrinos pasan sin obstrucciones cada segundo. Pero de vez en cuando, uno de ellos golpea el núcleo de un átomo de hidrógeno de tal forma que aniquila el protón y deja atrás otras partículas – un positrón y una neurona – que registran una señal.

Encontrar reactores clandestinos no es tan importante como monitorizar los que ya se conocen, dice el físico Patrick Huber del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia (EEUU). Los reactores emiten calor, y esto puede ser detectado con facilidad por satélites sensibles a los infrarrojos. Ya se conocía la ubicación de los reactores soviéticos, y ahora sabemos dónde se encuentran en Rusia y Corea del Norte. Lo que no siempre se sabe es cómo y cuándo se están utilizando.

En cualquier país a los que los tratados internacionales proporcionan acceso, dice Huber, pequeños detectores de neutrinos, del tamaño de una nevera, se podrían colocar cerca para detectar si los reactores se encienden o se apagan de forma inesperada. Afirma además que los neutrinos de distintas fuentes tienen una firma energética distintiva, que puede utilizarse para distinguir entre plutonio y uranio y posiblemente para revelar si alguien ha desviado plutonio de un reactor nuclear.

Un enorme detector de neutrinos también podría resultar útil a la hora de la monitorización global, dice Lindley Winslow, una física de neutrinos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés, EEUU) que no formó parte del equipo del mapa. Hay un megadetector llamado Juno programado para ser operativo en China en 2020, dice, aunque su objetivo principal es contestar algunas preguntas fundamentales acerca de la naturaleza del universo. Afirma que la diferencia entre neutrinos y antineutrinos puede que proporcione respuestas acerca de por qué el universo ha generado más materia que antimateria, permitiendo así la existencia de la Tierra.

El Observatorio IceCube Neutrino cerca del Polo Sur de la Tierra ha comenzado a detectar partículas casi invisibles de energía muy alta. Aunque estos neutrinos raramente interactúan pasan a través de gran parte de la Tierra justo antes de ser detectado, donde comenzaron siendo un misterio. En la foto es el laboratorio de la Antártida de IceCube acompañado de una caricatura que representa a largas cadenas de detectores de congelados en el hielo cristalino continuación. Orígenes candidatos para estos neutrinos cósmicos incluyen el entorno violentas de los agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias distantes, y tremendas explosiones estelares que culminaron en supernovas y los estallidos de rayos gamma muy lejos de todo el universo. Como IceCube detecta neutrinos cada vez más altos de energía, correlaciones con objetos conocidos pueden resolver este enigma cósmico - o nunca pueden saber.

Esas grandes preguntas acerca de la naturaleza de nuestra existencia han impulsado el avance de la tecnología de detección de neutrinos, dice Huber, pero está contento de que los esfuerzos también hayan podido hacer avanzar la seguridad nuclear. "Cuando te conviertes en un físico de partículas, das por hecho que lo que hagas permanecerá dentro de una torre de marfil, que todo tratará de una ciencia básica sin aplicaciones prácticas", dice. "Pero como ves, eso no es exactamente cierto".[3]

Una red global para pillar a los tramposos nucleares

La peor pesadilla de los detractores del acuerdo nuclear con Irán que se debate en el congreso de Estados Unidos es que de alguna manera, a pesar del acuerdo y todas las garantías que incluye, Irán encuentre la manera de diseñar y fabricar un arma nuclear, eludiendo la detección hasta que una ciudad importante sea consumida por el fuego nuclear.

Pero la fabricación de un arma fiable y operacional requiere la realización de pruebas y, desde la finalización del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares de 1996, una sofisticada red global de teledetección se ha establecido para asegurar que ninguna prueba nuclear realizada en cualquier rincón del mundo pase desapercibida. Conocido como el Sistema Internacional de Monitorización (IMS, por sus siglas en inglés), representa el primer sistema de alarmas para transgresiones nucleares y emplea cuatro técnicas distintas y complementarias para detectar y localizar una detonación atómica en cualquier lugar del mundo. 24 horas al día, unos 26 gigabytes de datos procedentes de estaciones IMS en 89 países llegan a un centro de control en Viena (Austria) a través de redes de satélites y enlaces terrestres seguros. Su construcción costó alrededor de 1.000 millones de dólares (unos 885 millones de euros) y fue financiado por los casi 200 países miembro del tratado de 1996.

Uno de los sistemas más cruciales proporciona la detección de radionucleido. 80 estaciones de monitorización y 16 laboratorios de IMS están equipados para detectar y analizar las trazas de gases nobles y partículas radioactivas que representan la prueba definitiva de una explosión nuclear clandestina, como las que generaron las pruebas nucleares de Corea del Norte. La red de radionucleido de IMS se ejercitó de forma inesperada, pero vital, en marzo de 2011, midiendo y rastreando el penacho radioactivo emitido por la dañada planta nuclear de Fukushima.

Una prueba subterránea bien diseñada podría no emitir ningún deshecho nuclear detectable a la atmósfera. Es allí donde las tecnologías adicionales de la red entran en juego. Con 50 estaciones principales y 120 estaciones auxiliares, la red sísmica de IMS identifica unos 130 eventos por día: temblores terrestres, explosiones de la minería o cualquier cosa hasta el equivalente a un terremoto de 3.0 en la escala Richter, es decir: un temblor casi imperceptible.

"Las estaciones sísmicas son extremadamente sensibles", explica Gerhard Graham, el coordinador del Centro de Datos Internacional de IMS, que es operado por un grupo internacional llamado la Comisión Preparatoria de la Organización del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares. Mientras que la red sísmica completa identifica estos 130 eventos al día, cada estación de la red está monitorizando casi todo: "Un sismómetro puede medir hasta nanómetros de movimientos terrestres", dice Graham. Para los geólogos, la red proporciona un punto de partida de datos sísmicos que posibilitan un asesoramiento más preciso de los peligros en regiones con riesgo de actividad sísmica.

Las capacidades de la red sísmica son suplementadas y aumentadas por las 11 estaciones que escuchan para detectar la firma subacuática de una explosión nuclear. Cinco de estas estaciones están en tierra, detectando ondas acústicas que se desplazan por el agua y se convierten en ondas sísmicas al chocar con la costa. Las otras seis estaciones son hidrófonos – micrófonos subacuáticos amarrados a un kilómetro por debajo de la superficie para detectar y determinar la dirección de las ondas acústicas. Debido a la eficiencia con la que el sonido se desplaza por el agua, 11 estaciones bastan para cubrir el mundo entero, afirma George Haralubus, el director de la sección hidroacústica de IMS.

Para completar la red IMS, hay sensores de infrarrojos capaces de detectar sonidos a frecuencias extremadamente bajas, muy por debajo de la capacidad de audición humana. La Tierra nunca está callada en este ámbito acústico, con infrasonidos que son generados no sólo por explosiones nucleares sino también por los movimientos de la atmósfera y la corteza terrestre, los volcanes, actividades humanas de todo tipo, y hasta meteoritos y desperdicios espaciales que penetran la atmósfera. 48 estaciones de infrasonidos están operativas actualmente de unas 60 estaciones planificadas, e incluyen conjuntos de microbarómetros.

Pero la red de IMS también se está empleando de maneras que ni soñaban sus diseñadores. Una de las más cruciales es un sistema de detección temprana para catástrofes naturales. Desde el terremoto devastador del Océano Índico y el tsunami resultante en diciembre de 2004, IMS ha asociado bastantes recursos a las estaciones globales de detección de tsunamis. Ese arreglo dio sus frutos en marzo de 2011, cuando los datos de IMS proporcionaron suficiente aviso a las autoridades japonesas para permitir el desalojo de los residentes en zonas de peligro a tierras más altas durante la misma catástrofe que inundó Fukushima. Las estaciones sísmicas hasta pueden localizar la ubicación de accidentes aéreos terrestres o cerca de la costa. Mientras, las otras posibilidades científicas de la red IMS sólo empiezan a apreciarse, desde la monitorización de la caída de las plataformas de hielo en los polos y las temperaturas de ultramar como prueba del cambio climático, hasta escuchar los cantos de las ballenas para realizar nuevos descubrimientos acerca del comportamiento de las ballenas y sus patrones de migración.

Todos los datos de sensor que llegan al centro de Vienna se procesan, se analizan y se trasladan a todos los países miembro del tratado de prohibición de pruebas nucleares de 1996. En caso de que surja algo sospechoso, el próximo paso consiste en una inspección sobre el terreno en busca de pruebas de violaciones del tratado.

Al menos ese será el próximo paso cuando el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares por fin entre en efecto. Aunque las autoproclamados potencias nucleares mundiales han observado una moratoria voluntaria de las pruebas nucleares desde 1991, varios de los países que firmaron, entre ellos Estados Unidos, están arrastrando los pies a la hora de ratificarlo, citando sobre todo preocupaciones acerca de la verificación. Pero los responsables de IMS dicen que tales preocupaciones son discutibles ahora mismo. Graham dice que las tecnologías del sistema "prácticamente imposibilita que se evite la detección".[4]

Posible origen del neutrino Big Bird (Paco Pico o Caponata) de IceCube

Fermi LAT Las imágenes muestran el cielo de rayos gamma en el blazar PKS B1424-418. Los colores más brillantes indican un mayor número de rayos gamma. El arco de puntos marca una parte de la región de origen establecido por IceCube para el neutrino Big Bird (nivel de confianza del 50 por ciento). Imagen Izquierda: Un promedio de los datos LAT centrado el 8 de julio de 2011 y cubre 300 días cuando el blazar estaba inactivo. Imagen Derecha: Un promedio de 300 días de actividad centrada en el 27 de febrero de 2013, cuando PKS B1424-418 fue el blazar más brillante en esta parte del cielo.

Fermi LAT Las imágenes muestran el cielo de rayos gamma en el blazar PKS B1424-418. Los colores más brillantes indican un mayor número de rayos gamma. El arco de puntos marca una parte de la región de origen establecido por IceCube para el neutrino Big Bird (nivel de confianza del 50 por ciento). Imagen Izquierda: Un promedio de los datos LAT centrado el 8 de julio de 2011 y cubre 300 días cuando el blazar estaba inactivo. Imagen Derecha: Un promedio de 300 días de actividad centrada en el 27 de febrero de 2013, cuando PKS B1424-418 fue el blazar más brillante en esta parte del cielo.


El agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia PKS B1424-418 es la fuente más probable del neutrino Big Bird (Paco Pico o Caponata) observado por IceCube. Este neutrino ultraenergético fue observado el 04 de diciembre de 2012 y superó 2 PeV. El análisis de los datos históricos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi LAT de la NASA permite identificar su fuente más probable. Por supuesto, no se puede asegurar al 100% que lo sea. Aún así, se publica en la revista Nature Physics.[5]

Hay que recordar que el detector de neutrinos IceCube no puede determinar con precisión la posición en el cielo de las fuentes de sus neutrinos. El círculo a trazos discontinuos indica la posición estimada por IceCube para Big Bird. El blazar PKS B1424-418 se encuentra cerca del borde de esta región. Por sus características físicas y su evolución según las observaciones de los últimos años, los autores consideran que se trata de la fuente más probable.[6][7]

Fuentes y enlace de interés

  1. wikipedia/Neutrino
  2. MIT
  3. nature.com/AGM2015: Antineutrino Global Map 2015 S.M. Usman, G.R. Jocher, S.T. Dye, W.F. McDonough & J.G. Learned
  4. technologyreview/Una red global para pillar a los tramposos nucleares/14sep 2015
  5. nature/Coincidence of a high-fluence blazar outburst with a PeV-energy neutrino event/18ab 2016
  6. M. Kadler, F. Krauß, […] J. A. Zensus, “Coincidence of a high-fluence blazar outburst witha PeV-energy neutrino event,” Nature Physics (18 Apr 2016), doi: 10.1038/nphys3715, arXiv:1602.02012 [astro-ph.HE]; más información divulgativa en Jim Sharkey, “Fermi Space Telescope links cosmic neutrino to blazar blast,” Spaceflight Insider, 05 May 2016.
  7. francis.naukas

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