jueves, 18 de febrero de 2010

# 10 Nuevo colaborador

 Me complace en anunciar que a partir de hoy tenemos nuevo colaborador en el Blog. Marcel Chow, fisico graduado de la UNAN-Managua y con cierta experiencia internacional en el ambito de la astrofisica, nos estará apoyando con articulos, el primero de ellos lo pueden ver bajo este, sobre los neutrinos. Bienvenido al Olympus Mons Marcel.

#9 La verdad sobre los terribles neutrinos



El germen de la devastación que se ve en la película 2012, ha sido atribuido por los guionistas de esta, a los neutrinos. A los pocos minutos de haber empezado, un hippie montañés explica al protagonista interpretado por Jhon Cussack, como un alineamiento (aunque no explica de que tipo) con el centro galáctico provee al Sol de una “energía cósmica”, que tiene como resultado final una sobreproducción solar de neutrinos electrónicos, los cuales interaccionan con el material del manto interno de la Tierra, calentándolo y derritiéndolo, y finalmente provocando el colapso total de las placas tectónicas. Entonces, aquel que vea la película pensara, “vaya, esos neutrinos son aterradores”. Por tanto, indaguemos un poco acerca de lo que son en realidad los neutrinos para sesgar los mitos hollywoodenses de la verdad científica. El neutrino es una partícula elemental producto de ciertas desintegraciones, como por ejemplo la desintegración beta que sucede en los núcleos de materiales radiactivos. Durante la desintegración beta, un neutrón en el núcleo atómico decae en un protón, emitiendo un electrón que es disparado fuera del núcleo y que recibe el nombre histórico de rayo beta (a su vez un rayo alfa es un núcleo de helio doblemente ionizado). Sin embargo, debido a que la masa del neutrón es un poco mas grande que la del protón, y que la masa del electrón es ínfima a la par de estos gigantes, el resto de la energía que este proceso libera, debe ser concedido al electrón en forma de velocidad. Sin embargo, los experimentos demostraron en 1930 que de hecho el electrón es mas lento de lo que predecía la teoría. Sin duda, faltaba energía, que de no ser encontrada, violaría la conservación de la energía, una de los principios conocidos desde los albores de la física.
Wolfgang Ernst Pauli, uno de los padres de la mecánica cuántica y un físico teórico de fama aterradora (un mito muy popular en su época indicaba que cuando el llegaba a una ciudad, ningún experimento que se realizara en dicha ciudad resultaba exitoso), postuló por primera vez la existencia de una partícula sin masa ni carga eléctrica, que preservaría la conservación de la energía durante la desintegración beta. En sus términos, el neutrón, luego de convertirse en un protón, no solo expulsaría un electrón, si no que además expulsaría esta nueva partícula que se llevaría la energía restante de la desintegración y que mas tarde sería llamada neutrino por el físico italiano Enrico Fermi (el neutrón, la particula sin carga del nucleo atomico, había recibido nombre poco antes por su descubridor, James Chadwick). Neutrino, del italiano, significa pequeño neutrón, ya que esto es lo que se supone que era, una partícula neutra sin masa (y por ende pequeña). En 1942, la partícula se acepto como una realidad científica luego de una serie de experimentos dirigidos a inducir la desintegración beta.
Una característica importante de los neutrinos es que no poseen carga eléctrica, y por ende no interaccionan con campos eléctricos (como los de los átomos) ni magnéticos (como el que rodea a la Tierra). Otra característica es que tampoco interacciona con la fuerza nuclear fuerte, por lo cual no interactúa con los núcleos atómicos (excepto por las desintegraciones mencionadas). De hecho, usted no debe de sorprenderse al descubrir que más de 50 trillones de neutrinos están atravesando su cuerpo en el instante en que lee estas palabras. Y esto sucede sin que las moléculas de su cuerpo lo sientan siquiera (en comparación se necesita menos radiación para destruir las moléculas de ADN que componen su cuerpo, si se tratara por ejemplo, de radiación gamma). ¿De donde salen tantos neutrinos? No se asuste, la respuesta es que esta gran cantidad de neutrinos provienen del espacio, la aplastante mayoría de ellos del Sol. Esto ha sido así desde que el Sol quema hidrogeno en su núcleo, desde hace 4 mil millones de años. Y hasta donde sabemos, esto nunca ha ocasionado ningún trastorno geológico, y no hay el más mínimo indicio que lo cause en el futuro. Y esto se debe a que los neutrinos son realmente difíciles de captar. Son tan difíciles de detectar que en la Tierra se utilizan detectores especiales para estudiar los neutrinos solares. Pero antes de continuar argumentando por esta línea, será bueno revisar otras características de los neutrinos.
Que una partícula no tenga masa no es de extrañar. Los fotones, partículas de luz, no poseen masa y son tan comunes que cuando usted enciende la luz de una lámpara, sus propios ojos son capaces de detectarlos a borbotones (en defensa de los neutrinos, los fotones si interaccionan eléctricamente con las moléculas de nuestros ojos). De hecho, los neutrinos en realidad tienen una masa. Esta es sumamente pequeña, tan pequeña que desilusiono a muchos científicos que esperaban que esta partícula estuviera tras el misterio de la materia oscura. La masa del neutrino es de 1/200000 la masa del electrón, por lo cual es la partícula más pequeña que se conoce. Esta masa tan pequeña fue lo que llevo a pensar en un principio que no tenía ninguna. También significa que el neutrino puede viajar a una velocidad muy grande, de hecho el 99.9998 % de la velocidad de la luz (como el caso de los neutrinos que están atravesando su cuerpo en este momento), por lo cual el neutrino es una partícula relativista. Debido a esto, el neutrino es considerado “materia caliente”, lo cual causo otra desilusión a aquellos que pensaban que el neutrino podía ser responsable de la materia oscura. Ningún modelo de materia oscura caliente puede explicar la forma del universo actual.
Una característica algo rara es que existen tres “sabores” o tipos de neutrinos. Hasta el momento hemos mencionado solamente los neutrinos electrónicos, productos de la desintegración beta. Los neutrinos muonicos y tauonicos, resultados de otros tipos de decaimientos, suponen que los neutrinos juegan un papel importante en la interacción nuclear débil. De hecho, el modelo estándar de la física de partículas requiere de la existencia de los tres neutrinos y sus tres anti partículas. Interesantemente, un neutrino de un determinado sabor puede convertirse en otro tipo cuando este viaja por el espacio. El proceso es conocido como el fenómeno de la oscilación neutrinica. Cuando se midieron los neutrinos solares, de hecho, se descubrió que llegaban demasiados pocos en relación con los que se habían calculado se producían en el interior solar. Esto es porque los neutrinos solares se habían supuesto todos electrónicos. A la luz de esta información, muchos de los neutrinos que nos llegan del Sol deben cambiar su sabor durante el viaje a la Tierra. Antes de esto, el llamado “problema del neutrino solar” había representado una seria amenaza para nuestro entendimiento de las reacciones nucleares dentro del Sol, sin embargo la oscilación neutrónica es un ya un hecho probado y que esta en perfecto acuerdo con las leyes mecánico cuánticas.
Nos resta explicar como se producen los neutrinos en el Sol. La reacción de fusión supone que algunos átomos de helio decaigan en hidrogeno pesado. Durante la reacción, es liberado un neutrino electrónico. Este proceso sucede únicamente en el núcleo, una región de 139 mil kilómetros de radio (compárese con el millón y medio de kilómetros en total de diámetro solar). A esta profundidad, la mayoría de los fotones y electrones quedan capturados por el material en el núcleo y tardaran varios millones de años en salir a la superficie del Sol. Sin embargo, los neutrinos escapan sin dificultad alguna. El estudio de los neutrinos es importante porque es la única forma de estudiar el núcleo solar de manera directa. El descubrimiento de que la cantidad de neutrinos que nos llegan del Sol es mucho muy inferior a lo que los cálculos teóricos estimaban, supuso un grave revés a nuestro entendimiento de la nucleosintesis solar y que permaneció sin solución durante 30 años, hasta el descubrimiento de la oscilación neutrinica. Sin embargo más allá de estos hechos, no hay razón para temer que los neutrinos destruyan las placas tectónicas de la Tierra. Como mencionamos antes, los neutrinos simplemente no interaccionan con la materia. En realidad, esto hace que resulte una tarea ardua y complicada el detectarlos. Los detectores de neutrinos ubicados a centenas de metros bajo el suelo para minimizar cualquier perturbación, no detectan en realidad directamente a los neutrinos, si no más bien que se pretende observar extraño fenómeno conocido como “efecto Cherenkov”. Es bien conocido que cualquier partícula que viaje en un cierto medio más rápido que la velocidad de la luz en ese mismo medio, dejara un rastro de luz (esta es la luz que se observa, por ejemplo, en los reactores nucleares), llamada “radiación de Cherenkov”. Los detectores sumergidos en agua esperan que los neutrinos viajando a las velocidades relativistas dejen un rastro de luz que este en acuerdo a sus energías. Este rastro es detectado y medido con cientos de tubos fotomultiplicadores dispuestos en las paredes de los detectores.