El problema de los neutrinos solares

Publicado el 7 de agosto de 2006 en Historias de la ciencia por omalaled
Tiempo aproximado de lectura: 5 minutos y 38 segundos
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Ya os hablé en este artículo de los neutrinos (si no lo habéis leído y no sabéis qué son los neutrinos, hacedlo antes de continuar). El descubrimiento de estas partículas tuvo inmediatas implicaciones astronómicas. El Sol (y otras estrellas, naturalmente), en el curso de las reacciones nucleares que lleva a cabo, produce ingentes cantidades de neutrinos.

Una curiosidad. Os recuerdo que los fotones (la luz) circulan a 300.000 km/s. Pues bien, los fotones que se producen en los interiores estelares tardan en promedio un millón de años en atravesar la zona radiante y un mes en recorrer los 200.000 km de la zona convectiva, empleando tan sólo 499,0047818 segundos en cruzar la distancia que separa la Tierra del Sol. No se trata de que los fotones viajen más rápidamente ahora, sino que en el exterior del Sol el camino de los fotones no se ve obstaculizado por los continuos cambios, choques, quiebros y turbulencias que experimentaban en el interior del mismo (hay una maravillosa asignatura en la carrera de Ciencias Físicas llamada Física Estelar donde se explican estas y otras muchas cosas).

Todo lo contrario sucede con los neutrinos. Como apenas reaccionan con la materia, atraviesan el Sol como si no existiese, llegan a su superficie del mismo en unos dos o tres segundos y si se mueven en dirección hacia nosotros, tardan poco más de ocho minutos en llegar a la Tierra a la que atraviesan por billones. Ocasionalmente, algunos pueden ser detectados y a partir de esas detecciones podemos obtener información de lo que ocurre en el interior del Sol.

Un método de detección de neutrinos que apunté es que un isótopo del cloro, llamado cloro-37 (17 protones y 20 neutrones) puede absorber un neutrino para transformarse en argón-37 (18 protones y 19 neutrones), que es radiactivo. Este proceso fue sugerido por Bruno Pontecorvo (la wikipedia dice que fue Raymond Davis en 1967, pero Isaac Asimov lo dice como aquí expongo).

Hay un problema: necesitamos muchos átomos de cloro y éste es un gas. Sólo puede tenerse en grandes cantidades sometiéndolo a grandes presiones o licuándolo a bajas temperaturas. Por suerte, hay otro modo de tener muchos átomos de cloro en condiciones atmosféricas y es mediante tetracloroetileno o percloretileno.

No os dejéis impresionar por el nombre: es un líquido de uso común en tintorería.

Pues bien, cuando llegan los neutrinos, algunos de ellos acertarán en los núcleos de cloro y generarán pequeñas cantidades de argón que podrán separarse químicamente mediante otros procesos. Por otro lado, y para evitar otro tipo de reacciones inesperadas, por ejemplo debido a los rayos cósmicos, radiación ambiental, etc., debemos situar todo el dispositivo en un sitio con garantías que sólo llegarán los neutrinos. Por ejemplo, en minas bajo tierra. Las partículas y las radiaciones serán paradas por la materia, pero los neutrinos la atravesarán como si no existiera. No deja de ser curioso que para observar procesos del Sol tengamos que ocultar el instrumento de observación bajo tierra. Por otro lado, pensad que este artilugio está diseñado para observar cosas muy lejanas y por ello es, en el fondo, un telescopio. Sería un “telescopio de neutrinos”.

Frederick Reines, premio Nobel de Física en 1995, puso un depósito con tetracloroetileno en una mina de oro sudafricana, a más de 3 km de profundidad. En 1965, después de cuatro meses de observación, informó de la detección de 7 neutrinos. En 1968, el físico norteamericano Raymond R. Davis (el mismo al que se refiere la wikipedia y premio Nobel de física de 2002) puso una trampa de neutrinos aún más compleja en una mina de Lead, Dakota del Sur. Era un depósito de 15 metros de largo y 6 de ancho que contenía 380.000 litros de tetracloroetileno.

Sí, se detectaron neutrinos solares, pero muchos menos de los que esperaban. O bien fallaba el telescopio de neutrinos o bien había que hacer una revisión de la teoría de los procesos que se daban en el interior del Sol. No podéis imaginar la cantidad de explicaciones que los astrofísicos han intentado dar a estos resultados: que si neutrinos taquiónicos (más rápidos que la velocidad de la luz), nuevos modelos solares (variando condiciones solares que dejarían de coincidir con otras teorías muy bien asentadas) y la teoría estrella: las oscilaciones neutrínicas.

Hoy día se acepta la existencia de tres clases de neutrinos, también llamadas sabores: el electrónico, el muónico y el tauónico (observado por primera vez en 1998). Cada uno de ellos aparece sólo en reacciones donde juegue la partícula que le da nombre (el electrón, el muón y el tauón o partícula tau). Por ejemplo, los piones se desintegran en muones y en neutrinos muónicos, pero nunca neutrinos electrónicos. Los neutrinos muónicos pueden interaccionar con la naturaleza para producir muones, pero nunca electrones. Los neutrones decaen en electrones y neutrinos electrónicos. Los neutrinos electrónicos interaccionarían con la materia para producir electrones, pero nunca muones, etc.

Los diseños experimentales que utilizan los físicos sólo detectan un tipo de neutrino y los otros dos tipos (en caso de haber) se escaparían. Del Sol conocemos los neutrinos electrónicos que deberían producirse. Detectar menos neutrinos de los esperados y saber que hay tres sabores de neutrinos ha llevado a los físicos a postular que los neutrinos pueden, en ciertas condiciones, cambiar de un sabor a otro. A este fenómeno lo llaman “oscilaciones neutrínicas”. Si se emite una determinada cantidad de neutrinos electrónicos, podría suceder que debido a las oscilaciones neutrínicas, algún porcentaje de ellos cambiara en sabor y no lo detectaríamos, cosa que podría explicar ese déficit de neutrinos.

Ya podréis imaginar cómo los astrofísicos se han volcado a esta teoría para explicar sus resultados y a hacer de todo tipo de experimentos para intentar detectarlos.

Se plantea la siguiente idea: algunos aceleradores de partículas podrían enviar neutrinos a laboratorios con detectores en diferentes puntos de la Tierra (recuerdo que la Tierra es transparente para ellos) y de esta manera, conociendo la cantidad emitida, intentaría cuadrarse con la cantidad detectada. Sería una buena forma de obtener evidencias a favor de las oscilaciones neutrínicas, ¿no os parece?

El 14 de agosto de 2003 se inició el proyecto MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). En agosto de 2004 generaron neutrinos muónicos en el Fermilab en cantidades conocidas y los enviaron a detectores situados en diferentes partes de la Tierra (como EEUU a una mina de hierro abandonada de Soudan, Minesota) para ver si se daban esas oscilaciones neutrínicas.

El 30 de marzo de 2006 una colaboración internacional de científicos en el Fermilab anunciaron que realmente detectaron una desaparición de neutrinos muónicos, por lo que la teoría de las oscilaciones neutrínicas parece ser cierta. No obstante, todavía sabemos demasiado poco. Un bonito tema de investigación.

Todo lo que os he explicado se conoce como “El problema de los neutrinos solares”.

Es gracioso recordar que cuando Reines y Cowan (los primeros en detectar neutrinos) rebasaban los 60 años de edad propusieron en Los Alamos un experimento para probar las diferencias entre los neutrinos electrónicos y muónicos recibiendo la siguiente respuesta del director de ese importante laboratorio:

- ¡Hey!, muchachos, ustedes ya tuvieron suficiente diversión, vayan a hacer algo de provecho.

Ahora que ya conocéis el problema, puedo contaros la parte graciosa de la historia. El físico Frank Press fue consejero científico del expresidente de los Estados Unidos Jimmy Carter (premio Nobel de la Paz en 2002). Una mañana, cuando estaba en su despacho, recibió una llamada de Carter porque había leído en el periódico el siguiente titular: “Llegan del Sol menos neutrinos de los esperados”. El presidente preocupado le preguntó: “¿Podemos hacer algo?”.

Fuentes:
“Historia del telescopio”, Isaac Asimov
“Interacciones”, Sheldon L. Glashow
http://ciencianet.com/fisicos.html
http://deseosdecosasimposibles.blogia.com/temas/ciencia-y-tecnologia.php
http://es.wikipedia.org/wiki/Sol
http://es.wikipedia.org/wiki/Cloro
http://es.wikipedia.org/wiki/Arg%C3%B3n
http://home.earthlink.net/~umuri/_/Main/B_neutrino.html

(sobre el MINOS)
http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=2092
http://barrapunto.com/article.pl?sid=06/04/03/084204&mode=thread
http://www.interactions.org/cms/?pid=1024042



Hay 10 comentarios a 'El problema de los neutrinos solares'

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  1. #1.- Enviado por: Tesseract

    El día 7 de agosto de 2006 a las 02:46

    Graciñas omalaled. Recuerdo haber leído que cuando al Sol se le esté acabando la gasolina empezarán a llegar menos neutrinos. ¿No habrá llegado ya ese momento y los científicos se aferran desesperados a esta teoría? xD

    Una tontería, ¿en el gif animado no hay neutrinos tauónicos por algún motivo en especial? ¿Las transiciones que se proponen para los neutrinos sólo incluyen a los muónicos y electrónicos? Supongo que no, pero por incordiar que no quede.

    Saludetes

  2. #2.- Enviado por: AntonioT

    El día 7 de agosto de 2006 a las 08:50

    Hay una cosa que no acabo de entender en esa teoría de las oscilaciones neutrínicas.

    Las oscilaciones, para alguien como yo, con escasos (por no decir nulos) conocimientos sobre el tema, no explican el déficit de neutrinos.

    Si hay un número determinado de neutrinos que mutan transformándose en un tipo indetectable para un telescopio neutrínico determinado, también habrá de los indetectables que muten a detectables.

    Salvo que exista una tendencia a la transformación en uno de los sabores más que en los otros, en cuyo caso habría déficit de los otros dos, pero un superávit de ese tipo.

    ¿Qué dato me falta para que esa teoría explique la deficiencia de neutrinos?

  3. #3.- Enviado por: omalaled

    El día 7 de agosto de 2006 a las 10:05

    Tesseract: esperemos que no llegue ese momento (uffff), se espera que suceda dentro de otros 4.600 millones de años. No sé dónde estaremos. Lo del gráfico, es que es el único gráfico animado que encontré así :-) y lo vi muy explicativo. Pero es cierto, faltan los tauónicos.

    AntonioT: el Sol no produce del mismo modo e igual número de neutrinos de diferente tipo. La teoría predice muy bien el número de neutrinos electrónicos (particularmente electrónicos) producidos y son los que se han intentado detectar. Si el sol produce x neutrinos electrónicos, deberíamos poder detectar esos x neutrios electrónicos.

    ¿Por qué particularmente electrónicos? Pues porque la energía del Sol sale de las reacciones nucleares producidas en las que intervienen continuamente protones y neutrones y no muones o tauones. Quizás ese es el detalle que no has tenido en cuenta. ¿Respondo tu pregunta?

    Salud!

  4. #4.- Enviado por: AntonioT

    El día 7 de agosto de 2006 a las 10:50

    Es decir, que en el sol se producen exclusivamente (o casi) neutrinos electrónicos. Si es así, pues aclarado, había entendido que en el sol se podían producir de los tres tipos.

  5. #5.- Enviado por: omalaled

    El día 7 de agosto de 2006 a las 11:03

    Aclarado está …

  6. #6.- Enviado por: In I Go

    El día 7 de agosto de 2006 a las 17:07

    Los neutrino muónicos, ¿son detectables o no? ¿Y los tauónicos? ¿O es que no lo eran y ahora sí? ¿O es que para detectar los distintos tipos de neutrinos es necesario utilizar métodos diferentes y poco compatibles entre sí?

    Porque, si el problema del experimento de Davis es que no detctó suficientes neutrinos electrónicos, ¿por qué en el proyecto Minos se generaron neutrinos muónicos, que son los que no se habían detectado antes?

    Siento ser ignorante, pero por eso te leo. Por cierto, excelente blog.

  7. #7.- Enviado por: omalaled

    El día 7 de agosto de 2006 a las 18:49

    Muchas gracias In I Go.

    Buena pregunta. Tan buena que me pillas fuera de juego, pues no me lo han explicado, ni lo he leído y tampoco he visto muchos detalles por Internet. Lo que te diré es por deducción propia.

    Detectar neutrinos electrónicos es relativamente fácil. Basta tener por ahí protones y electrones e intentar hacerlos chocar con ellos, por ejemplo, con el percloretileno (explicado en el artículo).

    Pero para detectar neutrinos muónicos no podemos tener muones y piones por ahí sueltos y en cantidades grandes, ya que tienen semividas pequeñísimas. Lo que creo que se hace es detectarlos mediante radiacion Cherenkov. Es un efecto muy parecido al efecto de onda de choque (efecto Match) que sólo detecta partículas, sin distinguir lo que son, pero que puede acotar el rango de energías que llevan (quién sabe, podría hacer un artículo sobre la radiación Cherenkov).

    Si generamos neutrinos muónicos con una energía conocida, basta poner un medidor de efecto Cherenkov adaptado a esa energía y empezar a contar.

    Igual sucede con los tauónicos, aunque la cosa está más caliente con estos últimos ya que fueron observados por primera vez en 1998.

    Pero lo dicho: todo esto es por deducción propia.

    Salud!

  8. #8.- Enviado por: In I Go

    El día 7 de agosto de 2006 a las 19:45

    Omalaled, sigue deduciendo así, que me has convencido.

    No sabía que los neutrinos tenían sabores. Tenía la idea de que de masa poquito y todo lo demás nada: neutros, pálidos y sosos. Pero sí sabía de los sabores de los quarks; los up & down (que suena a discoteca de Barcelona a la que iba mucho una prima mía y que no sé si seguirá abuerta), charm (tan tierno él), strange (la oveja negra de la familia, top y bottom (que conforman un bikini).

    Por cierto, que la primera vez que leí sobre quarks pensé ‘nata amarga’, y eso de los sabores me cuadró mejor. Luego he leído que la palabra no significa nada, que está sacada de unos versos de James Joyce, pero me quedo con mi primera impresión.

  9. #9.- Enviado por: omalaled

    El día 7 de agosto de 2006 a las 21:54

    No sé si chaparon up & down (juraría que todavía abren), pero me ha hecho gracia esa forma de ver a esos enanillos (los quarks): son familia numerosa …

  10. #10.- Enviado por: In I Go

    El día 7 de agosto de 2006 a las 22:09

    Numerosa y bien avenida. ¡No hay manera de separarlos!