INTRODUCCIÓN A LOS NEUTRINOS Y FORMAS DE DETECTARLOS

INTRODUCCIÓN A LOS NEUTRINOS

Y

FORMAS DE DETECTARLOS

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1. ÍNDICE

• Introducción  ………………………………………………………………………………………………… 3

• Historia  ……………………………………………………………………………………………………….. 4

• Detectores de neutrinos  ……………………………………………………………………….……… 6

• Oscilaciones de neutrinos  ……………………………………………………………………….…… 11

• Conclusiones  ……………………………………………………………………………………………….  15

• Bibliografía y referencias ……………………………………………………………………………..  16

1. INTRODUCCIÓN

"Lo más maravilloso de la ciencia es que está viva."

                                                                                                                           Richard P Feynman

De todas las partículas que componen el universo, quizás la  más común de ellas sea también la más misteriosa, ahora mismo miles de millones de esas partículas nos están atravesando sin que nos percatemos y sin embargo para detectar solo una de ellas necesitaríamos de grandes detectores enterrados a gran profundidad, estamos hablando como no del neutrino. Liberados en las reacciones nucleares, los neutrinos son un tipo de partícula que solo siente la fuerza nuclear débil; pero no las fuerzas electromagnéticas ni las nucleares fuertes, se trata de una partícula tan poco interactuante con la materia  que podría llegar a atravesar un año luz de acero sin siquiera variar un poco su velocidad.

        El nombre de neutrino se lo debemos al físico italiano Enrico Fermi y quiere decir pequeños neutrones. Este nombre es debido a sus propiedades, el neutrino carece de carga eléctrica y tiene una masa tan pequeña que para la mayoría de procesos que estudiemos consideramos que es despreciable, aunque el hecho de que los neutrinos tengan masa tiene importantes consecuencias dentro del modelo estándar, esta masa tan pequeña, por los menos diez mil veces menor que la masa del electrón,  les permite viajar a velocidades cercanas a las de la luz. Son fermiones con un espín igual a un medio, dentro de la familia de los fermiones los neutrinos son leptones, por lo que son partículas verdaderamente elementales en su estructura. Los hay de tres tipos asociados a cada una de las familias leptónicas, así tenemos el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. Una de las primeras implicaciones que los neutrinos tuvieran masa, es la posibilidad de que estos cambiaran de sabor pasando de una familia a otra en un proceso conocido como oscilación de neutrinos del cual hablaremos más adelante.

Las interacciones débiles, dentro del marco de la física de partículas, siguen suponiendo un amplio marco de investigación para comprender las partículas y la física que las rige. De estas partículas ocupa un lugar capital el neutrino. Enrico Fermi, Majorama y otros muchos físicos han proporcionado grandes avances, que han sido fundamentales para nuestra comprensión del universo, aunque todavía quedan muchos interrogantes por resolver. El neutrino no solo aparece en el mundo de lo infinitamente pequeño, descrito por el modelo estándar y la física de partículas, también en el campo de la astrofísica y la cosmología han aparecido multitud de fenómenos que han llevado a que el neutrino ocupe un lugar privilegiado en la actualidad, siendo una posible conexión entre lo infinitamente pequeño y lo infinitamente grande.

En este trabajo, vamos a tratar de dar primero una perspectiva histórica de los diferentes descubrimientos y avances en el campo de los neutrinos, desde cómo se formaron en el Big Bang, los primeros experimentos con radiaciones beta, la postulación teórica de Pauli en 1930; y su demostración experimental en 1956 hasta los avances más actuales. También hablaremos de los principales métodos de detección de neutrinos y de los detectores más importantes como el Super-Kamiokande. Por último y con motivo del Premio Nobel de física de 2015, otorgado al japonés Takaaki Kajita y al canadiense Arthur B. McDonald,  contaremos un poco el fenómeno de oscilación de neutrinos y de su importancia dentro el modelo estándar.

2.- HISTORIA

La historia de los neutrinos comienza hace unos 15 mil millones de años, pocos instantes después del nacimiento de nuestro Universo. Desde esa época, el Universo se ha expandido, enfriado y los neutrinos han seguido su propio camino y evolución, debido a su poca interacción con la materia. Teóricamente, existen muchos ahora y constituyen una radiación de fondo cósmica cuya temperatura se ha estimado en 1.9 K (-271.2 ºC). El resto de neutrinos del Universo son producidos durante el tiempo de vida de las estrellas en procesos nucleares, y durante la explosión de supernovas.

El proceso del descubrimiento del neutrino, ha sido un proceso lento que ha requerido de unos pasos previos. Antes de la llegada del neutrino, el problema de la desintegración beta tuvo que aparecer. Y para que éste apareciese, la radioactividad tuvo que ser descubierta.

La existencia del neutrino fue propuesta por primera vez por el físico Wolfgang Pauli en el año 1930, para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones. La conservación de la energía momento es uno de los pilares de la física, así que su violación por parte de las interacciones débiles habría supuesto un gran problema y obligado a cambiar mucho de los conceptos que asumíamos. Pauli agregó esta partícula a la desintegración β quedando de la siguiente manera:

                                                               [pic 3]

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, esta partícula hipotéticamente 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.[pic 4]

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