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Neutrinos, una historia experimental

Neutrinos, una historia experimental. Federico Sánchez Nieto Universitat Autònoma de Barcelona / IFAE. Descubrimiento del neutrino.

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Neutrinos, una historia experimental

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  1. Cursos de Verano 2006, UIMP Neutrinos, una historia experimental Federico Sánchez Nieto Universitat Autònoma de Barcelona / IFAE

  2. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino El fenómeno de la radioactividad fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una lámina de vidrio o un papel negro. La radiactividad es un fenómeno natural que consiste en el cambio de naturaleza de un núcleo con la emisión de otras partículas (nucleos, electrones, rayos gamma,....) He4 Núcleos están formados por protones y neutrones U238 Pa234

  3. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino Ya por el año 1913 existía un puzzle que tenía en jaque a la comunidad científica. En un tipo de desintegración radioactiva la particula que se emite es un electrón. (Radioactividad beta). En esta tan solo el electron era visible en los detectores de la epoca. electron Pa234 U234

  4. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino Por simple conservación de energía y cantidad de movimiento (como en una colisión de bolas de billar) el electron debería tener una energía definida igual a la diferencia entre las energías del Pa y U (o sus masas -E=mc²). electron Pa234 U234 La medida experimental de la energía del electrón no era un número fijo sino una suave distribución: ¿ Era erroneo el principo de conservación de energía y cantidad de movimiento ?.

  5. Cursos de Verano 2006, UIMP Diciembre 1930: un remedio desesperado electrón neutrino Pa234 U234 “I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected; it is something no theorist should ever do.” W.Pauli

  6. Cursos de Verano 2006, UIMP Diciembre 1930: un remedio desesperado Para Pauli los neutrinos eran: Neutros, luego dificiles de detectar. De muy baja masa. Con una probabilidad de interacción muy baja. Pauli les llamó “neutrones”, pero en 1932 Chadwick descubre a los hermanos de los protones con carga neutra que son mucho mas masivos. Fermi propone el nombre de neutrino... En 1933, F. Perrin demuestra que la masa de los neutrinos (si existen) debe ser mucho menor que la masa del electrón.

  7. Cursos de Verano 2006, UIMP Diciembre 1930: un remedio desesperado No todo el mundo estaba a favor de la idea: Sir Arthur Eddington „In an ordinary way I might say that I do not believe in neutrinos. Dare I say that experimental physicists will not have sufficient ingenuity to make neutrinos.” El problema fundamental era como demostrar la existencia del neutrino: había que detectarlo.

  8. Cursos de Verano 2006, UIMP Detectando neutrinos Otro físico, H.Bethe, propuso la manera de detectar neutrinos: desintegración beta inversa. La idea era simple, la desintegración beta es la desintegración de un neutrón en el núcleo: neutrón -> protón + e- + neutrino Si esta reacción existe, también su inversa: protón + neutrino -> neutrón + e+ protón neutrón e- neutrino neutrón protón neutrino e-

  9. Cursos de Verano 2006, UIMP Detectando neutrinos: una pausa.... En mecánica cuantica los procesos físicos tienen una cierta probabilidad de ocurrir. Esto no significa que no sea determinista, simplemente que la naturaleza tiene varias opciones “predeterminadas” a elegir y lo hace de forma aleatoria. Cualquier fenómeno físico con base cuántica se basa pues en probabilidades. Si queremos ver un fenómeno tendremos que intentarlo “varias” veces de forma que: probabilidad x numero de intentos ~ 1. Los neutrinos (así como la desintegracion radioactivas) tienen una cierta probabilidad de ocurrencia....pero ¿cual es esa probabilidad?.

  10. Cursos de Verano 2006, UIMP Detectando neutrinos H.Bethe se calculó esta probabilidad basandose en los valores de la velocidad de desintegración beta de un núcleo. La probabilidad (sección eficaz) que obtuvo fue de 10-44 cm². Esto significa, haciendo números, que uno necesitaría: Un tubo de 1021cm de agua: 1012 veces el diámetro de la tierra...., ¡para reducir su numero a la mitad! O una cantidad immensa (1021) de neutrino para verlos en 1m. 1 000 000 000 000 neutrino neutrino ...

  11. Cursos de Verano 2006, UIMP Detectando neutrinos: el ruido de fondo Detectar neutrinos es dificil pero no imposible... necesitamos tan solo la suficiente cantidad de neutrinos. Existen fuentes de neutrinos muy intensas: el sol, los rayos cosmicos, los reactores nucleares (1012-1013 neutrinos per second per cm²), las explosiones atómicas... El problema es como discernir entre una interacción de neutrinos y algún otro fenómeno espureo por ejemplo la radioactividad natural. detector neutrino e+ Señal Desintegración  Ruido e-

  12. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino En 1956 Reines & Cowan detectaron por primera vez neutrinos. Usaron para ello los neutrinos producidos en la reacciones nucleares de una central nuclear en Savannah River (EEUU). Usando una tecnica de coincidencia de señales retardadas consiguieron ver la reacción de un neutrino con bajo ruido. Cd Fotón neutrón protón neutrino Fotón e+ Fotón e-

  13. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino El detector de Reines and Cowan estaba basado en una tecnología de detección de luz que estaba muy avanzada en la época y que sigue siendo usada masivamente en la actualidad: el fotomuliplicador. El fotomultiplicador convierte un fotón de luz en una corriente electrica intensa que puede leerse con electrónica adecuada.

  14. Cursos de Verano 2006, UIMP ¿Cuantos neutrinos hay? Al final de los años cuarenta del siglo XX, se descubría una partícula similar al electrón pero más masiva (el muón) y otra de naturaleza distinta que se dió en llamar pión. El pión era producida en las interacciones de partículas extraterrestres con la atmosfera de la tierra. Una propiedad de los piones es que se desintegran (de modo similar a la desintegración beta de los núcleos antes citados). En esta desintegración se produce el muón más un neutrino. muón pión ¡Es una desintegración beta de piones! neutrino

  15. Cursos de Verano 2006, UIMP ¿Cuantos neutrinos hay? Los científicos se preguntaron si este neutrino era el mismo que detectó Reines y Cowan o era de naturaleza distinta. Veamos lo que se sabía: El neutrino original se producía siempre asociado a un electrón. Cuando se detecto, se hizo observando un electrón. El “nuevo” neutrino se producía asociado a la nueva partícula (muón) Quedaba por ver si estos neutrinos producían muones al interaccionar. Producción Interacción Neutrino “clasico” electrón/positrón electrón/positrón Neutrino “nuevo” muón ¿?

  16. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino del muón El principio es el mismo que el experimento de Reines & Cowan (idea es de Schwartz y Pontecorvo): Producir neutrinos asociados a muones a través de desintegraciones de piones. Detectar la interacción de neutrinos y observar si se obtienen electrones o muones. Se necesita un detector capaz de distinguir muones y electrones

  17. Cursos de Verano 2006, UIMP ¿Cómo distinguir electrones y muones? El muón es una partícula muy penetrante. El electrón produce una lluvia de partículas cuando atraviesa materiales densos. Mirando la manera que se deposita la energía y el poder de penetración de las mismas se pueden distinguir. Para ello alternamos materiales densos y parivos (Hierro) con materiales activos (para detectar que la partícula pasço) y livianos. Hierro o Plomo electrón Centelleador muón

  18. Cursos de Verano 2006, UIMP Pausa, ¿que es un centelleador?.... Las partículas que cruzan ciertos materiales, excitan moléculas del medio que al desexcitarse emiten luz. La luz es proporcional a la energía depositada por la partícula en el medio. Esta luz se detecta con fotomultiplicadores. Partícula cargada fotomultiplicador luz Practicamente todos los detectores de partículas estan basados en esta ionización

  19. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino del muón Experimento se realizó en 1962 BNL (Nueva-york) usando nueva tecnogía para acelerar protones a altas energías. Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger obtuvieron el premio nobel por el descubrimiento en 1988.

  20. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento del neutrino del muón Los neutrinos se produjeron en un acelerador de protones: muon Haz de protones intenso piones blanco neutrino muon Absorpcion de muones y piones Lente magnética • No hay otro proceso en la naturaleza que produzca muones en el interior del detector --> no hay ruido de fondo. • 51 muones se detectaron, en el experimento--> prueba de la existencia de neutrinos de tipo muon. • Esta se ha convertido en una tecnología standard para la producción de neutrinos por el hombre además de los reactores nucleares.

  21. Cursos de Verano 2006, UIMP Estado de la question en 1962 Se sabía que hay dos neutrinos de diferente naturaleza. Que su masa es muy pequeña --> ¿porqué no 0?. Se sabía como producirlos y detectarlos. Se había avanzado mucho en la teoría de las interacciones: su interacción es muy débil y de una naturaleza distinta a la de la interacción nuclear y electromagnética: se le llamó “interacción débil”. En este momento hay dos tendencias experimentales: Usarlos para entender la interacción débil. Usarlos como mensajeros de procesos que ocurren fuera de la tierra. Se unificarán a finales del siglo XX

  22. Cursos de Verano 2006, UIMP Las interacciones débiles trajeron un nueva sorpresa La asimetría derecha-izquierda en la desintegración beta.

  23. Cursos de Verano 2006, UIMP Wu midió el número de electrones de la desintegración beta del núcleo de Co60 El momento angular intrinseco del nucleo fue orientado con un campo magnético. Descubrió que habia más electrones en la dirección opuesta al spin del Co60. Electrons no son emitidos simétricamente a lo largo del campo magnético. ---> Violación de paridad. ¡Para evitar errores, repitió la medida invirtiendo el campo magnetico!. Asimetría drch-izda en la emisión  electrons B

  24. Cursos de Verano 2006, UIMP Posteriormente, Goldhaber demostró en un precioso experimento que los neutrinos eran siempre de una orientación de spin y lo antineutrinos de la contraria. Según la teoría de interacción débil: En la desintegración débil los neutrinos se producen junto con positrones y los antineutrinos con electrones. El electron y el neutrino son levógiros y el positrón con el antineutrino son dextrógiros. Asimetría derch-izda en la emisión  levógiro dextrógiro

  25. Cursos de Verano 2006, UIMP Como los electrones se producen siempre junto con el (anti)neutrino. Si orientamos el spin del Co60 en una dirección, los neutrinos iran en esa dirección y los electrones en la contraria...El espín del electrón es el contrario del (anti)neutrino. Conservación del momento angular. ¡Explicación del experimento de Wu!. Asimetría derch-izda en la emisión  electrón ¡Como en el caso de Pauli, la conclusión se llegó sin detectar el neutrino!. B

  26. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento de las corrientes neutras Tipos de fuerzas en la naturaleza: Electromagnética, entre partículas cargadas. Fuerte, mantiene unido el núcleo. Débil, responsable de la desintegración beta. Los neutrinos sienten tan sólo la fuerza débil. (Por eso interaccionan tan poco).

  27. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento de las corrientes neutras Hasta ahora hemos visto que siempre hay un electrón o un muón asociado a una interacción de neutrinos: Neutrino + X -> electrón (o muón) + Y En los años sesenta, Glashow-Salam propusieron un modelo para unificar la fuerza dèbil y la electromagnètica. Este modelo predecía la existencia de corrientes neutras, en las que el neutrino sale despedido de la reacción (el neutrino no está cargado): neutrino + X --> neutrino + Y Los neutrinos son una herramienta para detectar esta interacción. (Hoy en día hay otras posibilidades...)

  28. Cursos de Verano 2006, UIMP Pausa: las cámaras de burbujas... Líquido a alta presión con un pistón. Cuando pasan las partículas se libera la presión y el líquido se queda en un estado que es facil evaporar. Las partículas evaporan el líquido y aparecen “burbujas” que son fotografiadas. Todo en un campo magnético que curva las partículas en función de su cantidad de movimiento.

  29. Cursos de Verano 2006, UIMP Pausa: las cámaras de burbujas... Uno puede “ver” las partículas... neutrino Imagen real de una cámara de burbujas.

  30. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento de las corrientes neutras En 1973, la cámara de burbujas gigante del CERN (Ginebra) detecto dos tipos de reacciones predichas por las corrientes neutras. Neutrino +e -> neutrino + e Neutrino +Nucleo -> neutrino + X

  31. Cursos de Verano 2006, UIMP Descubrimiento de las corrientes neutras Ya sabemos como detectar electrones y muones, lo que nos permite asegurar que en estas dos reacciones no hay muones. Neutrino +e -> neutrino + e Neutrino +Nucleo -> neutrino + X

  32. Cursos de Verano 2006, UIMP Neutrinos del sol

  33. Cursos de Verano 2006, UIMP El problema de los neutrinos solares En los años 90 se desarrolla otra tecnología para detectar neutrinos solares. Los neutrinos del sol producen electrones debido a la desintegración beta inversa (exp de Reines y Cowan). Neutrino + Nucleo -> Nucleo' + electrón Se pueden detectar estos electrones en una piscina de agua con la técnica llamada “Cherenkov”. De hecho estos detectores fueron diseñados para otro objetivo experimental: desintegración del protón...pero esto es otra historia.

  34. Cursos de Verano 2006, UIMP Otra pausa: técnica Cherenkov... Desde los años 40 se conocía este fenómeno particular. La radiación de Cherenkov es una radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas en un medio a velocidades superiores a las de la luz “en dicho medio”. La velocidad de la luz en un medio es inferior a la del vacio que no se puede superar (Einstein). La luz es emitida en un frente de onda similar al de la estela de un barco en el mar. El pato nada más rápido que la velocidad de las olas sobre el agua.

  35. Cursos de Verano 2006, UIMP Otra pausa: técnica Cherenkov... Igual para las partículas cargadas en agua. luz electrón Fotomultiplicadores luz Con esta técnica se puede saber la dirección de la partícula, igual que el pato en el agua. ¡Podemos saber si estamos apuntando al sol!.

  36. Cursos de Verano 2006, UIMP Detectando neutrinos solares Outer detector 1867 of 8” PMT 41.4m 39.3m 50 ktons of pure H2O at 1000 m depth Kamiokande primero y Superkamiokande después (ambos en Japón), inauguraron una nueva era en detectores de neutrinos

  37. Cursos de Verano 2006, UIMP Detectando neutrinos solares 11,000 fotomultiplicadores

  38. Cursos de Verano 2006, UIMP electron-like Detectando neutrinos solares Señal de un electrón en Superkamiokande....

  39. Cursos de Verano 2006, UIMP Neutrinos solares en SuperKamiokande El sol “fotografiado” con neutrinos: Los ’s se producen 8 minutos antes de ser detectados. Los  se producen 1M de años antes.

  40. Cursos de Verano 2006, UIMP ...y el problema persiste 71±5 71±5

  41. Cursos de Verano 2006, UIMP Una posible solución... Algo no va bien con los neutrinos solares: el modelo solar, los experimentos o ambas cosas. Como hemos visto los neutrinos son de un tipo u otro dependiendo de como son creados o detectados, (experimento de descubrimiento del neutrino del muón). ¿ Y si en el sol se producen neutrinos del tipo electrón y se transforman en neutrinos de tipo muon cuando viajan a al tierra? Si los neutrinos tuviesen masa, se “mezclarían”, con lo cual tendríamos efectos cuánticos, el neutrino producido es distinto del detectado.

  42. Cursos de Verano 2006, UIMP Una posible solución: oscilaciones Un principio muy importante en física cuántica es el principio de superposición, radicalmente distinto a la superposición clásica. Supongamos que los neutrinos interaccionan con la materia (se crean o destruyen) de manera distinta a como viajan en el espacio. Supongamos que los neutrinos tienen masa. (Nadie la había medido) Podemos pensar que los neutrinos son una mezcla “fija” de neutrinos ligeros y pesados. Los neutrinos de distinta masa se mueven a distinta velocidad en el espacio y cuando llegan al destino están desfasados en tiempo y por tanto ya no es igual a la mezcla inicial. ¡Los neutrinos han cambiado de naturaleza ! Este fenómeno lo sugirió Pontecorvo ya en los años 60.

  43. Cursos de Verano 2006, UIMP Una posible solución: oscilaciones Neutrino electrón Neutrino electrón+muón Neutrino muón Neutrino electrón+muón Distancia viajada Neutrino masivo Se desplazan a diferente velocidad y su proporción cambia a cada distancia Neutrino ligero Es posible que la tierra esté a una distancia tal del sol que la mitad de los neutrinos electrones se han convertido en neutrinos del muón y no los vemos.

  44. Cursos de Verano 2006, UIMP Una posible solución: oscilaciones Neutrino electrón Neutrino electrón+muón Neutrino muón Neutrino electrón+muón Sólo un modelo, se necesita un curso de mecánica cuántica para entender los detalles Distancia viajada Neutrino masivo Se desplazan a diferente velocidad y su proporción cambia a cada distancia Neutrino ligero Es posible que la tierra esté a una distancia tal del sol que la mitad de los neutrinos electrones se han convertido en neutrinos del muón y no los vemos.

  45. Cursos de Verano 2006, UIMP Una posible solución: oscilaciones Si esta teoría es cierta: Si tenemos una manera de medir neutrinos sin distinguir de que tipo son deberíamos recuperar el flujo de neutrinos del sol. El fenómeno debe ser universal y no solo aplicable a neutrinos del sol --> buscar en otras fuentes.

  46. Cursos de Verano 2006, UIMP Comprobación definitiva: SNO Volvemos a las corrientes neutras descubiertas en Ginebra (CERN) en los años 70: Neutrino + Núcleo --> Neutrino + otras cosas + Núcleo Fijaos que no hay muones ni electrones, así que nunca sabemos la naturaleza del neutrino. Es una reacción dificil de detectar, hay que ver que ocurre con el núcleo porque el neutrino es invisible. Pero hay una reacción sencilla y fácil de detectar. Neutrino + deuterio (agua pesada) --> proton + neutrón + neutrino Neutrino + electrón --> Neutrino + electrón Como en el experimento de Reines y Cowan, tenemos que detectar un neutrón.

  47. Cursos de Verano 2006, UIMP Comprobación definitiva: SNO El neutrón se detecta con el deuterio, pero para aumentar la eficiencia se diluyó una sal de Cloro en el agua pesada. Corriente neutra sensible a todos los tipos de neutrinos Corriente cargada sensible a los neutrinos del electrón

  48. Cursos de Verano 2006, UIMP El detector SNO Mina en Canadá Superficie: ¡2 km! 1000 tonnes D2O 10000 fotomultiplicadores

  49. Cursos de Verano 2006, UIMP El detector SNO SNO ha medido: Corriente Cargada neutrino+d->proton+proton+elect Corriente neutra (NC) neutrino+d->neutron+proton+neutrino Mezcla de Neutra y Cargada (ES) neutrino+elect->neutrino+elect

  50. Cursos de Verano 2006, UIMP Conclusiones del detector SNO El flujo de neutrinos coincide con la predicción del modelo solar --> No estabamos equivocados. El número de interacciones “clásicas” son la mitad de lo esperado --> Los neutrinos oscilan. Además, si los neutrinos oscilan --> ¡¡¡¡¡Los neutrinos tienen MASA!!!!! Eso sí, muy pequeña: del orden de la millonésima parte de la masa del electrón

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