Un neutrin és una partícula elemental que és molt semblant a un electró, però no té càrrega elèctrica. Té una massa molt petita, que fins i tot pot ser zero. La velocitat del neutrin també depèn de la massa. La diferència en el temps d'arribada de la partícula i la llum és del 0,0006% (± 0,0012%). L'any 2011, durant l'experiment OPERA, es va trobar que la velocitat dels neutrins supera la velocitat de la llum, però l'experiència independent no ho va confirmar.
La partícula esquiva
Aquesta és una de les partícules més comunes de l'univers. Com que interactua molt poc amb la matèria, és increïblement difícil de detectar. Els electrons i els neutrins no participen en les interaccions nuclears fortes, sinó que participen igualment en les febles. Les partícules amb aquestes propietats s'anomenen leptons. A més de l'electró (i la seva antipartícula, el positró), els leptons carregats inclouen el muó (200 masses d'electrons), el tau (3500 masses d'electrons) i les seves antipartícules. S'anomenen així: neutrins d'electrons, muons i tau. Cadascun té un component antimaterial anomenat antineutrí.
El muó i el tau, com un electró, tenen partícules que els acompanyen. Aquests són neutrins muons i tau. Els tres tipus de partícules són diferents entre si. Per exemple, quan els neutrins muònics interactuen amb un objectiu, sempre produeixen muons, mai tau o electrons. En la interacció de partícules, encara que es poden crear i destruir electrons i electron-neutrins, la seva suma es manté in alterada. Aquest fet porta a la divisió dels leptons en tres tipus, cadascun dels quals té un lepton carregat i un neutrino que l'acompanya.
Es necessiten detectors molt grans i extremadament sensibles per detectar aquesta partícula. Normalment, els neutrins de baixa energia viatjaran molts anys llum abans d'interaccionar amb la matèria. En conseqüència, tots els experiments a terra amb ells es basen en mesurar la seva petita fracció interactuant amb gravadors de mida raonable. Per exemple, a l'Observatori de Neutrins de Sudbury, que conté 1000 tones d'aigua pesada, uns 1012 neutrins solars per segon passen pel detector. I només se'n troben 30 al dia.
Historial de descobriments
Wolfgang Pauli va postular per primera vegada l'existència d'una partícula l'any 1930. En aquell moment va sorgir un problema perquè semblava que l'energia i el moment angular no es conservaven en la desintegració beta. Però Pauli va assenyalar que si s'emet una partícula de neutrin neutre que no interacciona, s'observarà la llei de conservació de l'energia. El físic italià Enrico Fermi va desenvolupar la teoria de la desintegració beta el 1934 i va donar nom a la partícula.
Malgrat totes les prediccions, durant 20 anys els neutrins no es van poder detectar experimentalment a causa de la seva feble interacció amb la matèria. Com que les partícules no són elèctricamentcarregades, no es veuen afectades per forces electromagnètiques i, per tant, no provoquen ionització de la matèria. A més, reaccionen amb la matèria només mitjançant interaccions febles de força insignificant. Per tant, són les partícules subatòmiques més penetrants, capaços de passar per un gran nombre d'àtoms sense provocar cap reacció. Només 1 de cada 10.000 milions d'aquestes partícules, que viatgen a través de la matèria a una distància igual al diàmetre de la Terra, reaccionen amb un protó o un neutró.
Finalment, l'any 1956, un grup de físics nord-americans liderat per Frederick Reines va anunciar el descobriment de l'electró-antineutrí. En els seus experiments, els antineutrins emesos des d'un reactor nuclear van interactuar amb protons per formar neutrons i positrons. Les signatures energètiques úniques (i rares) d'aquests últims subproductes proporcionen proves de l'existència de la partícula.
El descobriment de leptons de muons carregats es va convertir en el punt de partida per a la posterior identificació del segon tipus de neutrins - muó. La seva identificació es va dur a terme l'any 1962 a partir dels resultats d'un experiment en un accelerador de partícules. Els neutrins muònics d' alta energia es van produir per la desintegració dels mesons pi i es van enviar al detector de manera que es poguessin estudiar les seves reaccions amb la matèria. Tot i que no són reactives, com altres tipus d'aquestes partícules, s'ha trobat que en les rares ocasions en què reaccionen amb protons o neutrons, els neutrins-muons formen muons, però mai electrons. El 1998, els físics nord-americans Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinbergerva rebre el Premi Nobel de Física per la identificació del neutrino-muó.
A mitjans de la dècada de 1970, la física dels neutrins es va reposar amb un altre tipus de leptons carregats: tau. El neutrino tau i l'antineutrino tau van resultar associats amb aquest tercer leptó carregat. L'any 2000, els físics del National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi va informar de la primera evidència experimental de l'existència d'aquest tipus de partícules.
Missa
Tots els tipus de neutrins tenen una massa molt menor que la dels seus homòlegs carregats. Per exemple, els experiments mostren que la massa electró-neutri ha de ser inferior al 0,002% de la massa electrònica i que la suma de les masses de les tres espècies ha de ser inferior a 0,48 eV. Durant molts anys va semblar que la massa d'una partícula era zero, tot i que no hi havia proves teòriques convincents per què hauria de ser així. Llavors, l'any 2002, l'Observatori de Neutrins de Sudbury va proporcionar la primera evidència directa que els neutrins electrònics emesos per reaccions nuclears al nucli del Sol canvien de tipus mentre viatgen a través d'ell. Aquestes "oscil·lacions" dels neutrins són possibles si un o més tipus de partícules tenen una massa petita. Els seus estudis sobre la interacció dels raigs còsmics a l'atmosfera terrestre també indiquen la presència de massa, però calen més experiments per determinar-la amb més precisió.
Fonts
Les fonts naturals de neutrins són la desintegració radioactiva dels elements a les entranyes de la Terra, en la quals'emet un gran corrent d'electrons-antineutrins de baixa energia. Les supernoves també són un fenomen predominantment de neutrins, ja que només aquestes partícules poden penetrar en el material superdens produït en una estrella en col·lapse; només una petita part de l'energia es converteix en llum. Els càlculs mostren que al voltant del 2% de l'energia del Sol és l'energia dels neutrins produïts en les reaccions de fusió termonuclear. És probable que la major part de la matèria fosca de l'univers estigui formada per neutrins produïts durant el Big Bang.
Problemes de física
Els camps relacionats amb els neutrins i l'astrofísica són diversos i en ràpid desenvolupament. Les preguntes actuals que atrauen un gran nombre d'esforços experimentals i teòrics són les següents:
- Quines són les masses dels diferents neutrins?
- Com afecten la cosmologia del Big Bang?
- Oscil·len?
- Els neutrins d'un tipus es poden transformar en un altre mentre viatgen per la matèria i l'espai?
- Els neutrins són fonamentalment diferents de les seves antipartícules?
- Com es col·lapsen les estrelles i formen supernoves?
- Quin és el paper dels neutrins en la cosmologia?
Un dels problemes de llarga data d'interès particular és l'anomenat problema dels neutrins solars. Aquest nom fa referència al fet que durant diversos experiments terrestres duts a terme durant els darrers 30 anys, es van observar constantment menys partícules de les necessàries per produir energia emesa pel sol. Una de les seves possibles solucions és l'oscil·lació, és a dir, la transformació de l'electrònicaneutrins en muons o tau mentre viatgen a la Terra. Com que és molt més difícil mesurar els neutrins de muons o tau de baixa energia, aquest tipus de transformació podria explicar per què no observem el nombre correcte de partícules a la Terra.
Quart Premi Nobel
El Premi Nobel de Física 2015 va ser atorgat a Takaaki Kajita i Arthur McDonald pel seu descobriment de la massa de neutrins. Aquest va ser el quart guardó relacionat amb mesures experimentals d'aquestes partícules. Alguns podrien preguntar-se per què ens hem de preocupar tant per alguna cosa que amb prou feines interactua amb la matèria ordinària.
El fet mateix que puguem detectar aquestes partícules efímeres és un testimoni de l'enginy humà. Com que les regles de la mecànica quàntica són probabilistes, sabem que tot i que gairebé tots els neutrins travessen la Terra, alguns d'ells interactuaran amb ella. Un detector prou gran per detectar-ho.
El primer dispositiu d'aquest tipus es va construir als anys seixanta en una mina de Dakota del Sud. La mina es va omplir amb 400 mil litres de líquid de neteja. De mitjana, una partícula de neutrins cada dia interacciona amb un àtom de clor, convertint-lo en argó. Increïblement, Raymond Davis, que estava a càrrec del detector, va inventar una manera de detectar aquests pocs àtoms d'argó, i quatre dècades més tard, l'any 2002, va rebre el Premi Nobel per aquesta increïble gesta tècnica.
Nova astronomia
Com que els neutrins interactuen tan feblement, poden viatjar grans distàncies. Ens donen l'oportunitat de mirar llocs que d'una altra manera no veurem mai. Els neutrins que va descobrir Davis van ser produïts per reaccions nuclears que van tenir lloc al mateix centre del Sol, i van poder escapar d'aquest lloc increïblement dens i calent només perquè gairebé no interactuen amb altra matèria. Fins i tot és possible detectar un neutrino volant des del centre d'una estrella en explosió a més de cent mil anys llum de la Terra.
A més, aquestes partícules permeten observar l'univers a una escala molt petita, molt més petita del que pot mirar el Gran Col·lisionador d'Hadrons de Ginebra, que va descobrir el bosó de Higgs. És per aquest motiu que el Comitè Nobel va decidir atorgar el Premi Nobel pel descobriment d'un altre tipus de neutrins.
Misteriós desaparegut
Quan Ray Davis va observar neutrins solars, només va trobar un terç del nombre esperat. La majoria dels físics creien que la raó d'això era un mal coneixement de l'astrofísica del Sol: potser els models de l'interior de l'estrella sobreestimaven el nombre de neutrins produïts en ella. No obstant això, amb els anys, tot i que els models solars van millorar, l'escassetat va persistir. Els físics van cridar l'atenció sobre una altra possibilitat: el problema podria estar relacionat amb la nostra comprensió d'aquestes partícules. Segons la teoria dominant aleshores, no tenien massa. Però alguns físics han argumentat que les partícules en realitat tenien un infinitesimalmassa, i aquesta massa va ser el motiu de la seva escassetat.
partícula de tres cares
Segons la teoria de les oscil·lacions de neutrins, hi ha tres tipus diferents de neutrins a la natura. Si una partícula té massa, a mesura que es mou, pot canviar d'un tipus a un altre. Tres tipus - electró, muó i tau - quan interaccionen amb la matèria es poden convertir en la partícula carregada corresponent (electró, muó o leptó tau). L'"oscil·lació" es produeix a causa de la mecànica quàntica. El tipus de neutrins no és constant. Canvia amb el temps. Un neutrin, que va començar la seva existència com a electró, pot convertir-se en un muó i després tornar. Així, una partícula formada al nucli del Sol, de camí cap a la Terra, pot convertir-se periòdicament en un neutrino-muó i viceversa. Com que el detector Davis només podia detectar neutrins electrònics capaços de conduir a la transmutació nuclear del clor en argó, semblava possible que els neutrins que f altaven s'haguessin convertit en altres tipus. (Com resulta, els neutrins oscil·len dins del Sol, no de camí a la Terra.)
experiment canadenc
L'única manera de provar-ho era construir un detector que funcionés per als tres tipus de neutrins. Des de la dècada de 1990, Arthur McDonald de la Queen's Ontario University ha dirigit l'equip que ho va fer en una mina a Sudbury, Ontario. La instal·lació contenia tones d'aigua pesada cedida pel govern canadenc. L'aigua pesada és una forma d'aigua rara però natural en la qual l'hidrogen, que conté un protó,substituït pel seu isòtop més pesat deuteri, que conté un protó i un neutró. El govern canadenc va emmagatzemar aigua pesada perquè s'utilitza com a refrigerant en reactors nuclears. Els tres tipus de neutrins podrien destruir el deuteri per formar un protó i un neutró, i després es van comptar els neutrons. El detector va registrar unes tres vegades el nombre de partícules en comparació amb Davis, exactament el nombre previst pels millors models del Sol. Això va suggerir que el neutrino electrònic podria oscil·lar en els seus altres tipus.
experiment japonès
Al voltant de la mateixa època, Takaaki Kajita de la Universitat de Tòquio estava fent un altre experiment notable. Un detector instal·lat en una mina al Japó va registrar neutrins no provinents de les entranyes del Sol, sinó de l'atmosfera superior. Quan els protons dels raigs còsmics xoquen amb l'atmosfera, es formen pluges d' altres partícules, inclosos els neutrins muònics. A la mina, van convertir els nuclis d'hidrogen en muons. El detector Kajita va poder veure partícules que venien en dues direccions. Alguns van caure des de d alt, venint de l'atmosfera, mentre que altres es van moure des de baix. El nombre de partícules era diferent, cosa que indicava la seva naturalesa diferent: estaven en diferents punts dels seus cicles d'oscil·lació.
Revolució en la ciència
Tot és exòtic i sorprenent, però per què les oscil·lacions i les masses de neutrins criden tant l'atenció? El motiu és senzill. En el model estàndard de la física de partícules desenvolupat durant els darrers cinquanta anys del segle XX,que descrivia correctament totes les altres observacions en acceleradors i altres experiments, els neutrins haurien d'haver estat sense massa. El descobriment de la massa de neutrins suggereix que f alta alguna cosa. El model estàndard no està complet. Els elements que f alten encara s'han de descobrir, ja sigui mitjançant el Gran Col·lisionador d'Hadrons o una altra màquina encara per crear.
