Cuando se trata de estudiar las partículas que se acercan a través de la materia como si ni siquiera estuviera allí, se utiliza cada método que se pueda imaginar.
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Sam Zeller menciona la frontera del conocimiento avergonzado por la falta de comprensión de los neutrinos por parte de los científicos, en particular la cantidad de masa que tienen.
"Creo que es algo muy triste que no sabemos", dijo. "Conocemos las masas de todas las partículas, excepto los neutrinos". Y eso es cierto incluso para el Higgs, que los científicos sólo descubrieron en 2012.
Los neutrinos fantasmales, sorprendentemente abundantes y ridículamente distantes, se han mantenido en sus secretos mucho tiempo pasado cuando fueron teorizados en la década de 1930 y detectados en la década de 1950. Los científicos han aprendido algunas cosas sobre ellos:
- [●]Vienen en tres sabores asociados con otras tres partículas fundamentales (el electrón, muón y tau).
[●]Cambian o oscilan de un tipo a otro.
[●]Rara vez interactúan con cualquier cosa, y trillones y trillones fluyen a través de nosotros cada minuto.
[●]Tienen una masa muy pequeña.
[●]Pero ahora mismo, todavía hay más preguntas que respuestas.
Zeller, uno de los miles de investigadores de neutrinos de todo el mundo y co-portavoz del experimento de neutrinos MicroBooNE basado en Fermilab, dice que las preguntas sobre los neutrinos no se detienen en masa. Ella escribe una lista de compras de las cosas que los físicos quieren averiguar:
- [●]¿Es un tipo de neutrino mucho más pesado que los otros dos, o mucho más ligero?
[●]¿Cuál es la masa absoluta del neutrino?
[●]¿Hay más de tres tipos de neutrinos?
[●]¿Los neutrinos y antineutrinos se comportan de manera diferente?
[●]¿Es el neutrino su propia antipartícula?
[●]¿Es correcta nuestra imagen de los neutrinos?
Ningún experimento puede responder a todas estas preguntas. En su lugar, hay docenas de experimentos mirando neutrinos de diferentes fuentes, cada uno aportando una pieza al rompecabezas. Algunos neutrinos fluyen sin obstáculos desde lejos, nacidos en supernovas, el sol, la atmósfera o fuentes cósmicas. Otros se originan más cerca de casa, en la Tierra, reactores nucleares, decadencias radiactivas o aceleradores de partículas. Sus diferentes lugares de nacimiento los impregnan de diferentes sabores y energías, una gama tan grande que abarca por lo menos 16 órdenes de magnitud. Armados con el conocimiento de dónde y cómo mirar, los científicos están entrando en un emocionante momento experimental.
"Es por eso que la física de los neutrinos es tan emocionante en este momento", dijo Zeller. "No es como si estuviéramos disparando en la oscuridad o no sabemos lo que estamos haciendo. En todo el mundo, nos estamos embarcando en un programa para responder a estas preguntas. Ese camino hará uso de estas muchas fuentes diferentes, y al final las juntas todas y esperamos que la historia tenga sentido ".
Neutrinos procedentes de reactores nucleares
La primera confirmación de que los neutrinos eran más que una teoría provino de reactores nucleares, donde los neutrinos se producen en un proceso llamado decaimiento beta. Un equipo de científicos liderados por Clyde Cowan y Frederick Reines encontró neutrinos vomitando en una corriente constante de los reactores en el sitio de Hanford en Washington y la planta del río Savannah en Carolina del Sur entre 1953 y 1959.
Los reactores han sido útiles para la física de los neutrinos desde entonces, particularmente porque producen solamente una clase de neutrino: antineutrinos del electrón. Al estudiar la forma en que las partículas cambian de un tipo a otro, es invaluable saber exactamente con qué estás empezando.
Experimentos con reactores como KamLAND, que estudió partículas de 53 reactores nucleares en Japón, se hicieron eco de los resultados de los proyectos de neutrinos solares y atmosféricos. Todos ellos encontraron que los neutrinos cambiaban de sabor con el tiempo.
"Una vez que sabemos que los neutrinos están oscilando, eso nos da la evidencia más fuerte de que los neutrinos son masivos", dice Dan Dwyer, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley e investigador del experimento internacional Neutrino Reactor Daya Bay, con sede en China.
Tales proyectos ahora buscan la forma en que los neutrinos cambian y las indicaciones sobre sus masas relativas.
Porque los experimentos del reactor permiten la precisión, son también ideales para cazar para un cuarto tipo de partícula - el neutrino estéril todavía no observado, pensado para obrar recíprocamente solamente con la gravedad.
Neutrinos de aceleradores
Los neutrinos del reactor no son la única forma de buscar neutrinos adicionales. Ahí es donde entra en juego la potencia de la investigación sobre neutrinos -el acelerador-.
Los científicos pueden utilizar un haz de partículas más fáciles de controlar, como los protones, para crear un haz de neutrinos.
Primero, aceleran los protones y los aplastan en un blanco. La energía liberada en esta colisión se convierte en masa en forma de una inundación de nuevas partículas masivas. Esas partículas se descomponen en partículas menos masivas, incluyendo los neutrinos.
Antes de que las partículas masivas decaer, los científicos utilizan imanes para enfocarlos en una viga. Luego, usan material de bloqueo para eliminar los bits no deseados, mientras que los neutrinos -que pueden pasar a través de un año luz de plomo sin siquiera notar que está allí- fluyen libremente.
Los haces de neutrinos de los aceleradores están hechos típicamente de neutrinos de muón y antineutrinos, pero los experimentos que usan aceleradores se dividen en dos grupos principales: experimentos de línea de base cortos que miran las oscilaciones a distancias más pequeñas y experimentos de línea larga que estudian neutrinos que han viajado a lo largo de cientos de millas.
Ambos tipos de experimentos observan cómo oscilan los neutrinos. A distancias cortas, los neutrinos tienen menos probabilidades de cambiar de sabor, aunque la influencia de nuevas partículas o fuerzas no descubiertas podría afectar a esa tasa. A distancias largas, es más probable que los neutrinos hayan cambiado después de viajar unos pocos milisegundos a casi la velocidad de la luz. Los patrones de oscilación pueden dar a los científicos pistas sobre las masas de los diferentes tipos de neutrinos.
Los estudios de oscilación a largas distancias, como el experimento T2K de Japón o el experimento NOvA de los Estados Unidos y el experimento DUNE propuesto, pueden ayudar a los investigadores a descubrir cómo se relacionan los neutrinos con los antineutrinos. Un método es buscar la violación de paridad de carga.
Este término que suena complicado esencialmente pregunta si la materia y la antimateria pueden eliminar "el viejo switcheroo", es decir, si el universo trata la materia y las partículas de antimateria de manera idéntica. Si las oscilaciones de los neutrinos son fundamentalmente diferentes de las oscilaciones de los antineutrinos, entonces el CP se rompe.
Los científicos ya saben que el CP es violado por un bloque de construcción principal del universo: los quarks. ¿Sucede lo mismo con la otra gran familia, los leptones? Los neutrinos podrían sostener la llave.
Estudiar neutrinos sin neutrinos
Resulta extraño que una de las preguntas más importantes con respecto a los neutrinos pueda ser respondida sólo buscando un proceso aparentemente carente de neutrinos.
En la desintegración beta doble sin neutrones, una partícula se desintegraría en electrones y neutrinos, pero los neutrinos se aniquilarían entre sí dentro del núcleo.
"Si lo ves, te dice que los neutrinos son diferentes de una manera fundamental", dice Boris Kayser, un teórico en Fermilab.
La desintegración doble de Neutrinoless beta ocurriría solamente si los neutrinos y sus antiparticles eran uno y el mismo. Ninguna otra partícula fundamental de la materia tiene esta propiedad.
"Los neutrinos son muy especiales", dice Kayser. "Podría ser que violen reglas que otras partículas no violan".
Se están realizando varios experimentos en todo el mundo para buscar este proceso, con las generaciones futuras planeadas.
Un experimento diferente, KATRIN, espera encontrar las masas de los neutrinos mirando electrones particulares. Como un tipo radiactivo de hidrógeno decae, escupe un antineutrino y un electrón asociado. Los científicos utilizarán el espectrómetro más grande del mundo para medir la energía de estos electrones para aprender sobre el neutrino.
Geoneutrinos
Imperturbados por el magnetismo o la masa en sus caminos, los neutrinos son quizás los mensajeros últimos del universo. Una vez encontradas, las partículas apuntan de nuevo a sus orígenes, lugares que los científicos no pueden ver de otra manera. La investigación de estos neutrinos proporciona la penetración en las propias partículas y es una manera útil de sondar lo desconocido.
Tomemos la Tierra como un ejemplo. Los científicos pueden usar detectores para capturar geoneutrinos, típicamente antineutrinos electrónicos de baja energía, para aprender sobre la composición de nuestro planeta sin intentar perforar millas por debajo de la superficie. Porque hemos aprendido que los neutrinos nacen de la descomposición de partículas, el número de geoneutrinos les dice a los investigadores cuánto potasio, torio y uranio acechan abajo, calentando nuestro mundo.
Neutrinos solares
Los neutrinos también se crean en procesos al sol. Pero cuando Ray Davis construyó un detector de neutrinos solar lleno de líquido de limpieza en seco, su experimento recogió sólo un tercio de los neutrinos previstos.
Este problema de los neutrinos solares sugirió que no entendíamos nuestro sol; en realidad, no entendíamos los neutrinos. Los experimentos con neutrinos solares después de Davis demostraron que los neutrinos del sol estaban cambiando el sabor, y un experimento del reactor confirmó más tarde que el cambio del sabor era causado por la oscilación del neutrino.
Experimentos modernos de neutrinos solares, como el Borexino de Italia, proporcionan una visión del núcleo del sol y ayudan a poner límites a los neutrinos estériles.
Otros, como el detector Super-Kamiokande de Japón, pueden ver cómo cambian los neutrinos solares cuando viajan a través de la tierra frente a neutrinos que oscilan principalmente en el vacío del espacio.
"La razón que es importante es que si el neutrino interactúa con la materia en formas nuevas, desconocidas, lo que es posible, entonces este efecto sería cambiado", dice Josh Klein, profesor de física en la Universidad de Pensilvania. "Es una medida muy sensible de la nueva física."
Neutrinos cósmicos
Los neutrinos cósmicos iluminan fenómenos poderosos que ocurren dentro de nuestra galaxia y más allá. Los experimentos masivos de caza de neutrinos extragalácticos, como el experimento de IceCube que se extiende a través de un kilómetro cúbico de hielo en la Antártida, pueden encontrar neutrinos que han oscilado en distancias mucho más largas de las que podemos probar con aceleradores.
"Vemos neutrinos (con energías) de menos de 10 (billones de electronvoltios) a más de mil (trillones de electrones)", dijo Francis Halzen, físico de la Universidad de Wisconsin, Madison, y líder de IceCube. "Nadie ha construido algo que cubre esta gama de partículas de energía".
Detectores gigantes de neutrinos como éste pueden buscar neutrinos estériles y recopilar información sobre oscilaciones y jerarquías de masas.
También son útiles para comprender la materia oscura y las supernovas, analizando los neutrinos atmosféricos que se forman cuando los rayos cósmicos golpean nuestra atmósfera y le dicen a otros astrónomos dónde apuntar sus telescopios si los neutrinos de una supernova estallan. Los físicos aprenden las propiedades de los neutrinos, pero los neutrinos a su vez desvelan los secretos del universo.
"Siempre que hemos hecho una imagen del universo en una región de luz de longitud de onda diferente, siempre hemos visto cosas que no esperábamos", dijo Halzen. "Estamos haciendo ahora lo que los astrónomos han estado haciendo durante décadas: mirando el cielo de diferentes maneras".
Los neutrones son importantes para la materia
Al final del día, ¿por qué ir a todo este problema por una partícula tan pequeña? Además de ayudar a los científicos a investigar el interior de la Tierra o los lejanos rincones del cosmos, los neutrinos podrían sostener la clave de por qué la materia existe hoy en día.
Los científicos saben que la antimateria y la materia se producen en partes iguales y, en última instancia, se han aniquilado unos a otros, dejando un universo oscuro y vacío. Pero aquí estamos, materia en toda su gloria.
A principios de la historia del universo, surgió un desequilibrio que desplazó las escalas hacia un universo dominado por la materia. Si los físicos encuentran que los neutrinos tienen ciertas características -incluida la violación de CP- esto podría ayudar a explicar por qué el universo resultó de la manera que lo hizo.
"Son la partícula más abundante en el universo", dice Zeller. "Si descubres algo extraño acerca de los neutrinos, está obligado a decirte algo sobre cómo evolucionó el universo o cómo llegó a ser la forma en que observamos hoy".
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