Pols d'estels

Avui s’ha donat a conéixer el Premi Nobel de Física. Els guardonats d’enguany han estat el físic japonés Takaaki Kajita i el canadenc Arthur B. McDonald “pel descobriment de les oscil·lacions del neutrino, que ha portat a demostrar que els neutrinos tenen massa“.

Segurament la majoria de la gent no sabrà que són els neutrinos.  Els neutrinos o neutrins són una mena de partícula fantasma, sense càrrega elèctrica (neutra) i, amb molt poca capacitat d’interacció amb la matèria. La conseqüència de tot açò és que són partícules molt difícils de caçar pels detectors. Tot i això, els neutrinos són, llevat de les partícules lluminoses, els fotons, les partícules més abundant de l’univers.

Els neutrinos es creen com a subproducte de les reaccions nuclears en l’interior de les estrelles, en l’explosió final de les estrelles massives en forma de supernova, en les centrals nuclears terrestres o en l’alta atmosfera terrestre a causa dels raigs còsmics. Cada segon milers de milions de neutrinos que provenen del Sol travessen el nostre cos, o fins i tot el planeta Terra, sense cap interacció. Com podríem caçar-los?

L’any 1967 Raymond Davis va idear un mètode de detecció. El clor-37 (l’isòtop ³⁷Cl) és capaç de captar un neutrino per convertir-se en argó-37 (l’isòtop ³⁷Ar), d’acord amb l’equació següent:

L’³⁷Ar és radioactiu i, això permet detectar la seua presència després de la interacció amb un neutrino. Tanmateix, la interacció del ³⁷Cl amb els neutrinos és molt baixa.

Per augmentar la possibilitat de captació de neutrinos se situà en una antiga mina d’or de Dakota del Sud, un immens tanc de 38000 litres de tetracloroetilè, un líquid amb quatre àtoms de clor, barat i utilitzat en tintoreries.

Per altra banda, des dels anys seixanta ja es tenia una teoria bastant sòlida de com es genera l’energia del Sol en el seu interior. Just en el cor de la nostra estrella, una reacció de fusió nuclear converteix un gas lleuger, l’hidrogen, en un gas més pesant, l’heli, amb l’emissió de fotons de gran energia (raigs gamma), neutrinos i d’altres partícules. Aquest cicle protó-protó és el procés energètic més important en estrelles de la grandària del Sol o menors. Els científics han calculat teòricament el nombre de neutrinos creats en aquestes reaccions nuclears que són la causa de la brillantor del Sol.

Però quan es comptaren els neutrinos capturats en el tanc de la mina d’or se n’adonaren que només s’hi detectava la tercera part dels esperats. Alguna cosa havia fallat. Potser no era correcta la teoria de les reaccions de fusió del nucli del Sol? És el que va rebre el nom del Problema dels neutrinos solars, un veritable mal de cap per als astrofísics i físics nuclears durant els anys 80 del segle passat.

L’experiment de la detecció dels neutrinos en tancs subterranis s’ha repetit arreu del món, al detector del Gran Sasso, a Itàlia, al Caucas, a Rússia, als detectors japonesos Kamiokande i Super-Kamiokande i sempre han mostrat una manca de neutrinos. Qué és el que fallava? Era un problema d’astrofísica, en que no s’havien explicat correctament les reaccions nuclears solars o era un problema de la física de partícules?

D’acord amb el Model Estàndard de la física de partícules hi ha tres tipus de neutrinos, neutrinos electrònics ν_e, neutrinos muònics ν_μ i neutrinos taònics ν_τ. Cadascun d’ells està relacionat amb una partícula carregada, l’electró, el muó i el taó.
El Sol només produeix neutrinos electrònics i per això tots els detectors terrestres estaven dissenyats per detectar aquests i no els altres.

Donat que a la Terra només es detectava un terç dels neutrinos solars (neutrinos electrònics, ν_e), ¿no podria ser que els neutrinos variaren de sabor, passant d’electrònic a muònic i taònic en el seu llarg viatge cap al nostre planeta? ¿No podrien oscil·lar entre els distints tipus de neutrinos?

Si s’acceptava que aquesta idea de les oscil·lacions era correcta, això implicava que el neutrino tenia massa, petita però apreciable. Però caldria demostrar-ho experimentalment. Això és el que han fet el físic japonés Takaaki Kajita i el canadenc Arthur B. McDonald en els seus respectius treballs.

El japonés Takaaki Kajita ha treballat en el detector Super-Kamiokande estudiant els neutrinos muònics (ν_μ) produïts per la radiació còsmica en l’alta atmosfera terrestre. I demostrà que els que venen de la part de davant del detector eren més nombrosos que els que venien per la part de darrere, els que havien travessat tota la Terra i han tingut més temps per a oscil·lar. Per tant, part dels neutrinos muònics (ν_μ) s’havien convertit en un altre tipus de neutrino.

El canadenc Arthur B. McDonald ha treballat al Sudbury Neutrino Observatory. El detector tanc està ple d’aigua pesada, una aigua amb un isòtop de l’hidrogen més massiu i està dissenyat per detectar els neutrinos electrònics que provenen del Sol. Les reaccions entre els neutrinos solars i l’aigua pesada dóna la possibilitat de mesurar no només els neutrinos electrònics sinó la combinació dels tres tipus de neutrinos. En els experiments realitzats, com era d’esperar, els nombre de neutrinos electrònics eren només un terç dels esperats però la suma total dels neutrinos s’ajustava exactament als valors teòrics. La conclusió va ser que els neutrinos van canviant de sabor, canvien d’identitat durant el seu temps de vol des del Sol.

Així que els neutrinos no són només unes partícules fantasma sinó que també són camaleòniques.

Més informació en aquest video en anglés. La primera part (0:00 a 11:00) parla del problema de l’oscil·lació dels neutrinos.

[vimeo 114361247 w=500 h=281]

Neutrino, Measuring the unexpected from Javier Diez on Vimeo.

Lectura complementaria: Text en anglés molt complet del Comité Nobel: The chameleons of space.

Imatges:
1.- Premiats.
2.- Oscil·lació dels neutrinos.
2.- L’experiment dels neutrino al Sudbury Neutrino Observatory.