28 neutrinos

17/05/2013 0 comentarios
Menear

En estos días, durante las conferencias IPA2013 se han presentado algunos resultados interesantes obtenidos en el observatorio de neutrinos IceCube. Han anunciado la detección de 28 neutrinos de alta energía. Aunque es pronto para decirlo con certeza, puede que estemos ante las puertas de trabajar con neutrinos de origen astrofísico mucho más allá de nuestro sistema solar.

Los neutrinos

Desde el punto de vista teórico y experimental, el mejor modelo que tenemos para la descripción de las partículas fundamentales y sus interacciones es el modelo estándar. En este modelo encontramos:

Las interacciones

Existen cuatro tipos de interacciones entre las partículas fundamentales.

  1. Electromagnetismo --> Esta interacción actúa sobre partículas con carga eléctrica. Es de largo alcance.
  2. Interacción débil --> Es la responsable de algunos tipos de radiación nuclear. En última instancia esta interacción cambia el tipo (los físicos lo llaman sabor) de unas partículas en otras.  Es de corto alcance.
  3. Interacción fuerte --> Es la interacción que se da entre quarks y es la que domina la dinámica nuclear.  Es de muy corto alcance.
  4. Gravedad -->  Es la interacción que actúa por igual en todas las partículas. Es con mucho la interacción más débil. Es de largo alcance.

Según la visión del modelo estándar, que está basado en la teoría cuántica de campos, cada interacción corresponde a un campo físico. Cuando estudiamos estos campos desde el punto de vista cuántico dada uno de ellos está asociado a unas excitaciones características que son las encargadas de mediar cada interacción entre las partículas fundamentales. A estas excitaciones de los campos se las denominan bosones mensajeros.

Cada interacción tiene asociados uno o varios de estos bosones:

  1. Electromagnetismo -->  La partícula mediadora es el fotón. Es una partícula sin masa y que se propaga a la velocidad de la luz.
  2. Interacción débil -->  Para esta interacción tenemos tres bosones, uno neutro, el Z0, y dos cargados, el W+ y el W-.  Estos bosones tienen masa.
  3. Interacción fuerte -->  Esta interacción está mediada por ocho partículas llamadas gluones.

El modelo estándar solo se ocupa de estas tres interacciones no gravitatorias. La gravedad aún no ha sido posible describirla en términos cuánticos. El problema de encontrar una teoría sobre la gravedad cuántica totalmente satisfactoria aún continua abierto aunque hay varias propuestas interesantes, quizás las más conocidas sean la teoría de supercuerdas y la gravedad cuántica de lazos.

Las partículas

El modelo estándar divide a las partículas en dos grupos:

  1. Quarks -->  Son las partículas que sienten la interacción fuerte, es decir, interactúan con los gluones, además de la electromagnética y la débil. Se encuentra, por ejemplo, en protones y neutrones. Una de sus características más representativas es que tienen carga fraccionaria en unidades de la carga del electrón.
  2. Leptones -->  Son partículas que únicamente sienten las interacciones débil y electromagnética (si tienen carga), pero no la fuerte. El miembro más conocido de los leptones es el electrón.

           Modelo estándar de partículas

Modelo estándar de la partículas fundamentales. Ilustración de Raquel Garcia Ulldemolins (@RaquelberryFinn)

Si nos fijamos en la parte de los leptones vemos que están el electrón, el muón y el tau. Estas partículas tienen todas la misma carga, la del electrón, pero son cada una de ellas más másica que su compañera.

Además, asociados con electrones, muones y taus, tenemos los neutrinos. También los hay de tres tipos, neutrino-electrónico, neutrino-muónico y neutrino-tauónico.  Se distinguen estos tres tipos de neutrinos porque sus interacciones son otras partículas son diferentes.

                                                                     neutrinos 

Los neutrinos son unas partículas muy interesantes. Son neutras, por lo que no interactúan de forma electromagnética. Además, son leptones, por lo que no sienten la interacción fuerte. Así pues, estas partículas solo interactúan bajo la interacción débil. Esto los hace extremadamente difíciles de detectar ya que no interactúan prácticamente con nada. Miles de neutrinos te están atravesando ahora mismo y la mayoría de esos atravesarán la Tierra y seguiran su camino tan ricamente.

Actualmente sabemos que tienen masa y aunque no conocemos el valor exacto de las mismas sabemos que tienen que ser muy pequeñas. Estos neutrinos tienen la propiedad de que conforme se van desplazando cambián de identidad, es decir, un neutrino electrónico se puede transformar en un muónico o tauónico y viceversa. A este fenómeno se le llama oscilación de neutrinos. Este comportamiento es el que nos dice que tienen masa porque solo en partículas con masa se pueden dar procesos de oscilación de este tipo.

Los neutrinos se producen de forma natural allá donde hayan reacciones nucleares (no en todas pero sí en muchas). Actualmente hemos detectado neutrinos en reactores nucleares, los producimos en los aceleradores de partículas, detectamos los que vienen del Sol, etc. Sin embargo nunca habíamos encontrado neutrinos de muy alta energía con posible procedencia astrofísica, hasta ahora por lo que parece.

Los hallazgos del IceCube

Epi y Blas

 El 19 de Abril (2013) el equipo científico del IceCube publicó que habían encontrado dos neutrinos con una energía de 9 PeV (Peta-electrónVoltios), es decir, algo así como 1000000 de veces la masa del protón. Esa energía es cientos de veces mayor que la que se genera en el LHC.

El artículo técnico lo podéis encontrar aquí:

 

First observation of PeV-energy neutrinos with IceCube [arXiv:1304.5356v1]

Los neutrinos que se detectan en los observatorios proceden princpialmente del Sol o de la atmósfera. En el Sol se producen reacciones nucleares que dan lugar a neutrinos. Al producirse, debido a su baja tendencia a interactúar, salen del Sol y llegan a nosotros.

                   neutrinos solares

En la atmósfera los neutrinos se producen por la colisión de partículas procedentes del espacio, los rayos cósmicos, con los núcleos de las moléculas del aire.

     Rayo cósmico secundario  Rayo cósmico secundario 2

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

A estos dos eventos le han puesto el nombre de Ernie y Bert (Epi y Blas en la versión española de Barrio Sésamo). Dada su energía todo parece indicar que son de procedencia astrofísica. Pero esto es ciencia, y en ciencia hay que ser cautos, y con dos neutrinos de estas características no se puede concluir aún nada.

Pero aún hay más, durante la conferencia del IPA2013 se dieron nuevos resultados preliminares en los que se ven 26 eventos más de neutrinos de alta energía (aunque menor que la de Ernie y Bert). Hará falta una mayor muestra de datos y un análisis más profundo de los mismos para poder decir si proceden de un origen astrofísico, de algún suceso acontecido en nuestra galaxia o más allá. Los datos aún son pocos y no se puede afirmar nada, pero este es un gra paso para desentrañar el misterio de los neutrinos de fuentes astrofísicas más allá de nuestro sistema solar.

Los científicos del IceCube han mirado la distribución en el cielo de estos sucesos y todo parece indicar que su distribución es isótropa, la misma en todas direcciones. Aunque, a nadie se le escapará que con un número tan reducido de datos esa afirmación hay que tomarla con mucha cautela.

 distribución de neutrinos

En la figura se muestran las posiciones de procedencia de dichos neutrinos y parece que hay una distribución isótropa. Aunque hay una región a la izquierda de la figura que acumula siete eventos.

Por insistir que no quede, aún hace falta mucho trabajo para determinar y asegurar que tenemos entre manos neutrinos energéticos de fuentes astrofísicas. Pero lo que no podemos negar es que todo esto es extraño y muy atractivo. Estaremos al tanto de los resultados a este respecto que se den en un futuro próximo.

Para profundizar

Os dejo aquí algunos sitios donde podéis ampliar la información:

Epi y Blas (Ernie & Bert) los dos neutrinos UHE observados por el IceCube en Francis (th)E Mule Science's News.

Observatorio de neutrinos IceCube hará importante anuncio en Conexión Causal.

IceCube reveals two neutrinos over 1 PeV en IceCube South Pole Neutrino Observatory.

 

Nos seguimos leyendo...