NEUTRINOS

¿Qué son los “neutrinos”? ¿Por qué las grandes potencias hacen inversiones cuantiosas para su estudio? ¿Cuales son los emprendimientos Astrofísicos para su detección y donde están emplazados? ¿Hay alguno en Argentina? Enorme difusión mediática al poner en funcionamiento el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) o la Maquina de Dios en la frontera franco-suiza sin embargo pasa prácticamente desapercibido emprendimiento norteamericano IceCube en la Antártida.

NEUTRINOS

Nosotros nos valemos de  la luz, rayos X o rayos gamma para poder determinar distancias de los distintos astros a la Tierra, sus temperaturas, que elementos los componen, etc., etc. Los neutrinos son partículas subatómicas sin carga y prácticamente sin masa, esto hace que no los afecte las fuerzas electromagnéticas y la fuerza nuclear fuerte, solo los perturba pero ínfimamente la fuerza nuclear débil y la fuerza de gravedad lo que les permite viajar enormes distancias, se cree que algunos provienen desde lugares e instantes muy cercanos a donde se produjo el Big-Bang  pudiendo así portar información muy valiosa que permita dilucidar el porque de la materia y la antimateria.

Su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin perturbarla. La luz por ejemplo, formada también por partículas subatómicas (fotones) es absorbida por la masa de los planetas no pudiendo atravesarlos, en cambio miles de millones de neutrinos si lo hacen, como a nuestro planeta y a nuestros cuerpos cada segundo y en distintas direcciones, dado que pueden venir desde el Polo Sur, Polo Norte o de cualquier otro punto del espacio. Por su pequeñísima masa –algo menos de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrogeno – muy rara vez interaccionan con la materia, por lo que son prácticamente indetectables siendo por ello tan importante el desarrollo de Detectores que los puedan capturar.

Su nombre se lo deben al científico italiano Enrico Fermi (1901-1954) “neutrino” en italiano significa pequeño neutrón. Su existencia fue propuesta en 1930 por el físico Wolfgang Pauli (1900 – 1958) austríaco, nacionalizado suizo y luego estadounidense sostenía que en la desintegración de un neutrón en un electrón mas un protón al colisionar,  tanto la masa como la energía total serían mantenidas si una partícula hipotética denominada “neutrino” participase en la desintegración incorporando las cantidades perdidas en el choque. Durante 25 años su existencia se estableció solamente en forma teórica fue recién en 1956 que Clyde Cowan (1919-1974) con Frederick  Reines(1918-1998) ambos estadounidenses, demostraron su existencia experimentalmente lo hicieron bombardeando agua pura con un haz de 10 elevado a la 18 neutrones por segundo. Observaron la emisión subsiguiente de fotones generados por el choque, a este ensayo se lo denomina experimento del neutrino. El neutrino al impactar contra un electrón le transmite parte de su momento confiriéndole a éste una velocidad equivalente a la de la luz en ese mismo medio acuoso, se produce así una emisión de luz característica, conocida como radiación de Cherenkov, equivalente óptico al rompimiento de la barrera del sonido, método que lleva el nombre del físico-matemático ruso que lo desarrolló. Es el principio en el que se basan los observatorios astrofísicos o detectores en un medio acuoso  encargados de registrar los neutrinos que vienen del espacio, la proyección de dicho haz de luz permite saber de que dirección provienen.

Existen 3 tipos de neutrinos derivando sus nombres de la partícula a la cual se asocian

Neutrino electrónico: asociado con el electrón, están principalmente generados por el Sol.
Neutrino muónico: asociado con una versión del electrón llamado muón, lo generan el choque de los rayos cósmicos con nuestra atmósfera
Neutrino tauónico: asociado con una versión del electrón llamado tau, estos son los que requieren mayor interés científico en su detección, dado que podrían llegar a ser los generados en un momento posterior al Big-Bang, llamados también neutrinos cósmicos o de alta energía, que golpean nuestro planeta provenientes de los acontecimientos más poderosos que suceden en el Universo, como las explosiones de rayos gamma, los agujeros negros o la formación de estrellas.

Los neutrinos tienen la particularidad de poder cambiar de estado o sabores entre ellos, se conoce 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). Esto se comprobó al observar los neutrinos que venían del Sol (los cuales debían ser particularmente electrónicos) sin embargo se detectó que llegaban a la Tierra una tercera parte de ellos solamente, el resto mutaba a los otros dos estados.

Además tenemos también las respectivas antipartículas o antineutrinos, hoy son logrados o producidos por las centrales nucleares o colisionadores, los geoneutrinos  son antineutrinos producidos por la Tierra  pudiendo llegar a proporcionar información valiosa sobre como está constituida interiormente la misma.

Detectores de Neutrinos

Basados en:

a) Procesos Radioactivos

Detector de DAVIS

En 1967 Raymond Davis (1914-2006) físico – químico estadounidense  logró dar con un sistema de detección usando el Cloro37,el cual era capaz de absorber un neutrino y convertirse en Argón37. Para proteger el detector del ruido de fondo por la radiación cósmica, se enterró el tanque de la mezcla clorada en una mina de oro de Dakota del Sur (EE.UU.) a mucha profundidad, el tanque contenía 380.000 lts. de percloroetileno un líquido frecuentemente usado en tintorerías, la sensibilidad del detector estaba preparado para esperar un cierto flujo de neutrinos solares, al detectar un tercio de lo esperado se creyó estar cometiendo algún error, además  se esperaba la captura de 1 neutrino y ½ por día pero el resultado fue de ½ neutrino por día.

b) El efecto Cherenkov

Como dijimos se basa en la colisión de neutrinos con electrones en un medio acuoso.

Detector SUPER- KAMIOKANDE

El Super- Kamiokande o Super-K inició sus observaciones en 1996,está ubicado en Japón, a 1.000 mts. bajo tierra, recibe su nombre de la mina japonesa perteneciente a la empresa Kamioka, es un recipiente cilíndrico de 40 mts de diámetro por 40 mts de altura dotado de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores o sensores y contiene 50.000 toneladas de agua pura o 50 millones de litros aproximadamente, sus predecesores el KamiokaNDE y KamiokaNDE-II detectaron los neutrinos procedentes de la Super Nova 1987 . Luego se midió el flujo de los neutrinos solares corroborando los resultados de Davis, su mayor éxito fue demostrar la existencia de masa en los neutrinos, al observar la emisión de la Super Nova llegando a acotar su valor a partir del retraso de su arribo con respecto a los fotones que no tienen masa. El 12 de noviembre de 2001, varios miles de tubos fotomultiplicadores del detector Super-Kamiokande implosionaron en una aparente reacción en cadena, se reparó parcialmente, añadiéndole un escudo protector de acrílico, en julio del 2005, comenzaron las reparaciones definitivas tratando de llevarlo a su forma original, reinstalando unos 6.000 tubos fotomultiplicadores completándose en junio del 2006.

                                              Operarios en un bote reparando los sensores

    A 295 Km. situado en la costa opuesta a su emplazamiento, Japón cuenta con un acelerador de partículas el J-Parc , quien produce neutrinos cuyos comportamientos son medidos por el Super-Kamiokande , ambos fueron dañados por el terremoto de marzo del 2011, reparados ,vuelve este país al liderazgo de la investigación en la física y detección de neutrinos.

Detector ICECUBE

Es un telescopio de neutrinos ubicado en la Antártida, en la estación o base Amundsen- Scott de EE.UU situada a 3.000 sobre el nivel del mar muy próxima a nuestra base Belgrano, su construcción finalizó en el 2010,es la continuación de un proyecto anterior AMANDA (Antartic Muon and Neutrino Detector),involucra a 39 institutos de investigación de 11 países ,requirió 10 años de trabajo y una inversión de 290 millones de dólares, quien dirige el proyecto es Francis Halzen físico norteamericano.
Se realizaron 86 perforaciones usando taladros de agua caliente, siendo esto factible de lograr, solamente durante el verano austral (de noviembre a febrero) y en cada una de ellas se colocaron  60 módulos o sensores con el formato de una pelota de básquet, compuesto por detectores fotomultiplicadores a una profundidad que va desde los 1.400 a los 2.400 mts, cuando se alcanzaba la profundidad deseada se tenía solamente 2 horas para insertar los detectores en su lugar, antes que todo se congele nuevamente, las temperaturas van de 60 a  80 grados bajo cero.

Se deduce información cinemática del neutrino por medio de la detección de infrecuentes colisiones que ocurren entre un neutrino y un átomo dentro del hielo(aproximadamente 2 por día). La estrategia de detección, anteriormente descripta, junto con su posición en el Polo Sur, podría permitir que el detector proporcione la primera robusta evidencia experimental de dimensiones adicionales predichas por la teoría de cuerdas. Se decidió la ubicación en la Antártida para que nuestro planeta  hiciese de filtro al resto de los distintos tipos de rayos que sobre él impactan desde el hemisferio norte principalmente. A partir del 2010 y hasta el 2012 se han capturado 28 neutrinos de alta energía ( teutónicos) existiendo 2 de ellos, que probablemente procedan del exterior de la vía láctea, dado que tienen 100 millones de veces mas de energía que los emitidos por las Super Novas.

Otros Detectores basados en choque de neutrinos en un medio acuoso en el resto del Mundo son:

Detector ANTARES (Francia) financiado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) la misma que lo hizo con el LHC, se encuentra concretamente a 40 Km. de la costa de Toulon, comenzó a tomar datos desde el 2008, telescopio submarino a 2500 mts. de profundidad en  Mar Mediterráneo.

Detector BAIKAL (Rusia) situado en el lago Baikal en Siberia, uno de los lagos con menor índice de turbulencia del mundo, congelándose en buena parte del año.

Detector DAYA BAY(China), es un reactor nuclear de la Bahía de Daya en el sur del país, la detección de los neutrinos producidos por él, ha permitido lograr importantes avances en el estudio de sus oscilaciones o cambios  de estado.

Detector PIERRE AUGER (Argentina) Mendoza . 

Emplazado en los departamentos de Malargüe y San Rafael.

El Observatorio consiste en 1600 detectores de superficie, distanciados a 1,5 Km. entre sí, cubriendo una superficie total de 3000 km2. Éstos se complementan con un conjunto de 24 telescopios de fluorescencia con  alta sensibilidad, en las noches despejadas y sin luna observan la atmósfera para detectar la tenue luz ultravioleta que producen las cascadas de rayos cósmicos al atravesar el aire.

Alrededor de 500 científicos de casi 100 instituciones de 18 países participan en este desafío científico.

Los países participantes son: Alemania, Argentina, Australia, Brasil, Croacia, Eslovenia, España, Estados Unidos, Francia, Italia, México, Países Bajos, Polonia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Rumania y Vietnam.