Les oscil·lacions de neutrinos (Takaaki Kajita, Arthur B. McDonald; Premi Nobel de Física, 2015)

En el 1930, Wolfgang Pauli proposà l’existència d’una partícula elèctricament neutre per explicar la conservació de l’energia, del moment i del moment angular (spin) en el procés de beta-desintegració. Aquesta partícula fou denominada neutró, però després hom optà pel nom “neutrino”, en haver-se descobert l’existència d’una partícula neutre molt més massiva. De fet, la beta-desintegració consisteix en la transformació d’un protó en neutró en nuclis atòmics inestables. Els neutrinos són emesos en aquestes reaccions i durant molt de temps s’hipotetitzà que eren una partícula sense massa. Capturà l’opinió popular la imatge de corrents de neutrinos que, procedents del Sol, eren capaços de creuar la Terra sense interactuar-hi. Una partícula d’aquesta mena era de difícil de detecció, i s’establiren detectors que eren autèntiques obres d’enginyeria. El 1996, per exemple, començà el Super-Kamiokande, un experiment de detecció de neutrinos amb un observatori localitzat a 1000 metres sota terra, en la mina Mozumi, als peus de la muntanya Kamioka, a Hida (Gifu, Japó). Hom aconseguí amb aquest experiment detectar oscil·lacions de neutrinos, prova experimental del caràcter màssic dels neutrinos. Quinze anys després, hom ha concedit per aquesta detecció el Premi Nobel de Física a Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald.

Model estàndard de partícules elementals. Els fermions elementals es divideixen en quarks i leptons. Observeu com per a la massa dels tres sabors de neutrinos hom assenyala un màxim, però no pas un mínim. De totes formes, la descoberta de les oscil·lacions entre aquests tres sabors, gràcies, entre d’altres, a Kajita i McDonald, se sap que han de ser partícules màssiques.

Takaaki Kajita

梶田隆章 (*1959) es graduà a la Universitat Saitama (1981). Es doctorà a la Universitat de Tòkio en el 1986. El 1988 ingressà en l’Institut de Recerca de Radiació Còsmica de la Universitat de Tòkio, del qual esdevingué professor auxiliar en 1992, i titular en el 1999. En el 1988 participà en l’Observatori de Neutrinos de Kamiokande en la detecció de l’anomalia dels neutrinos atmosfèrics. Aquesta anomalia seria explicada, ja en el 1998, a través d’oscil·lacions de neutrinos. En el 1999 esdevingué director del Centre de Neutrinos Còsmics. Actualment, també és membre de l’Institut Kavli de Física i Matemàtiques de la Universitat de Tòkio.

Les instal·lacions de Kamiokande en 1989, reflectides en un model. Per fer-nos una idea de les dimensions, la barana pintada de groc arriba a mitja alçada d’una persona. La finalitat central del detector era investigar si el protó és realment una partícula estable. Situat sota terra, el gran tanc d’aigua era preservat en bona mesura de l’acció dels raigs còsmics. Tot i amb tot, el flux de neutrinos hauria de ser similar al de la superfície de la Terra.

Arthur B. McDonald

Arthur Bruce McDonald (*Sydney, Nova Scotia, 29.8.1943) es va graduar en física (1964) a la Universitat Dalhousie, d’on obtingué el mestratge (1965). Va doctorar-se en física al California Institute of Technology. Entre 1970 i 1982 fou investigador als Laboratoris Nuclears de Chalk River (Ontario). Fou després professor de física a la Universitat Princeton (1982-1989) i després a la Queen’s University (1989-). El 2001 publicà, arran de dades del Sudbury Neutrino Observatory (SNO), l’observació directa que mostrava que els neutrinos electrònics d’origen solar oscil·laven en arribar a l’atmosfera terrestre en neutrinos muònics i tàuics. Aquestes oscil·lacions entre els “tres sabors” de neutrinos indicaven que totes elles havien d’ésser partícules amb massa intrínseca.

Part inferior de l’enorme tanc, en forma de matrau rodó, que contenia l’aigua utilitzada en el Sudbury Neutrino Observatory. El laboratori se situa a 2 km de fondària, en l’interior de l’antiga mina de Vale Creighton. Actualment s’hi fan experiments de física de neutrinos i de matèria fosca.

Les oscil·lacions de neutrinos

El neutrino proposat en els anys 1930 es multiplicà en els models ulteriors de física de partícules. De primer, es descrigué l’antineutrino. Després, hom hipotetitzà l’existència de dos neutrinos (i dels seus antineutrinos corresponents) associats al muó i a la partícula tau. Així doncs, calia parlar de tres “sabors” de neutrinos: el neutrino electrònic, el neutrino muònic i el neutrino tàuic. Aquests tres neutrinos, juntament amb l’electró, el muó i el tau, conformaven els sis tipus de leptons del model estàndard de partícules. En el 1956, hom ja havia detectat experimentalment els neutrinos. Ja en aquella època hom proposava la possibilitat d’oscil·lacions de neutrinos, és a dir transicions entre els tres tipus de neutrinos.

En el 1998, Takaaki Kajita, del Super-Kamiokande, presentava dades sobre el fet que els detectors de la superfície no detectessin tots els neutrinos muònics que es formarien en l’alta atmosfera per l’acció dels raigs còsmics (Fukuda et al., 1998).

Els raigs còsmics són els responsables de la ionització de les capes altes de l’atmosfera terrestre. Consisteixen en flux de partícules (en l’exemple, un protó, p), una bona part dels quals tenen un origen extrasolar (raigs còsmics galàctics). Les partícules primàries, en col·lisionar amb molècules de l’atmosfera, generen partícules intermèdies (en l’exemple, pions, π; neutrons, n; fotons, γ), que al seu torn poden donar lloc a leptons (en l’exemple, electrons, e; positrons, e+; muons, μ; neutrinos muònics, νμ).

En el 2001, Arthur B. McDonald, del Sudbury Neutrino Observatory (SNO), mostrava dades més clares quant a la conversió de neutrinos electrònics d’origen solar en neutrinos muònics o tàuics (Farine et al., 2001; Ahmad et al., 2002). Les oscil·lacions de neutrinos ara constituïen un forat considerable per al model estàndard de partícules, però també una via per aprofundir-hi en un model.

L’energia solar és, fonamentalment, el producte de la fusió nuclear d’hidrogen en heli. Aquest procés, a més de radiació (llum i calor), genera un corrent de neutrinos electrònics (νe)

Els leptons són les partícules que tenen un nombre leptònic diferent de zero, que pot ser positiu (leptons) o negatiu (antileptons). El valor absolut del nombre leptònic pot adoptar sis valors, corresponents a l’electró, el muó, el tau, el neutrino-electrònic, el neutrino-muònic i el neutrino tàuic. Actualment, hom disposa de valors màxims de massa per a cada leptó, però no de valor mínim, encara que les oscil·lacions indiquen que no pot ser igual a zero. Un altre paràmetre encara no aclarit és la quiralitat, ja que no s’han observat ni dextro-neutrinos ni levo-antineutrinos.

Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada