{"id":164,"date":"2019-03-22T14:00:44","date_gmt":"2019-03-22T13:00:44","guid":{"rendered":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/?p=164"},"modified":"2019-10-31T11:17:16","modified_gmt":"2019-10-31T10:17:16","slug":"el-nacimiento-del-neutrino","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/2019\/03\/22\/el-nacimiento-del-neutrino\/","title":{"rendered":"El nacimiento del neutrino"},"content":{"rendered":"\n

El neutrino<\/a> es sin duda la part\u00edcula m\u00e1s misteriosa del Modelo Est\u00e1ndar. Interacciona tan d\u00e9bilmente con el resto de part\u00edculas que resulta realmente muy dif\u00edcil de detectar, lo que ha hecho que en la actualidad sigamos intentando averiguar muchas de sus propiedades. En este art\u00edculo hablaremos de los problemas experimentales que dieron lugar a que se postulara su existencia. Veremos que, como es habitual en ciencia, no siempre se da con la soluci\u00f3n correcta a la primera.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Nuestro relato comienza con el descubrimiento de la radiactividad<\/a> por Henri Becquerel<\/a> en 1896, una historia de serendipia que merece ser contada en otra ocasi\u00f3n. En resumen, lo que Becquerel descubri\u00f3 es que algunas sustancias emit\u00edan de forma espont\u00e1nea cierta radiaci\u00f3n. Esta observaci\u00f3n pronto se convirti\u00f3 en asunto de gran inter\u00e9s para la comunidad cient\u00edfica de la \u00e9poca y muchos otros investigadores, con Marie<\/a> y Pierre Curie<\/a> a la cabeza, comenzaron inmediatamente a investigar las propiedades de dicha radiaci\u00f3n. Muy r\u00e1pidamente se vio que pod\u00eda ser de varios tipos, siendo el m\u00e1s importante para nuestra narraci\u00f3n la llamada radiactividad beta<\/a> (\u03b2). Esta radiaci\u00f3n, producida por sustancias que emit\u00edan de forma natural electrones, escond\u00eda los secretos que motivaron la predicci\u00f3n del neutrino.<\/p>\n\n\n\n

Antes\nde seguir con nuestro relato deteng\u00e1monos un momento y hablemos\nsobre la interpretaci\u00f3n que se daba a la radiaci\u00f3n beta a\nprincipios de siglo XX. La observaci\u00f3n experimental indicaba dos\nhechos bien claros: (1) que este tipo de radiactividad cambiaba la\ncomposici\u00f3n qu\u00edmica de la sustancia que la emit\u00eda, y (2) que\nestaba compuesta por electrones, algo que el propio Becquerel\ndetermin\u00f3 al medir el cociente masa\/carga de la radiaci\u00f3n. Por lo\ntanto, era razonable imaginar un \u00e1tomo como Z electrones situados\nalrededor de un n\u00facleo, que a su vez est\u00e1 formado por A protones y\nA-Z electrones (os recordamos que Z es el n\u00famero at\u00f3mico y A el\nn\u00famero m\u00e1sico). De ese modo el \u00e1tomo ser\u00eda el\u00e9ctricamente neutro\ny los electrones que compon\u00edan la radiaci\u00f3n beta estar\u00edan\nsurgiendo de su n\u00facleo, siendo la radiaci\u00f3n beta equivalente a la\ntransici\u00f3n nuclear<\/p>\n\n\n\n

(A,Z)\n\u2192 (A,Z+1) + e–<\/sup><\/p>\n\n\n\n

Hoy\nen d\u00eda sabemos que esta imagen del \u00e1tomo estaba equivocada. De\nhecho, pronto se encontraron dos problemas que no pod\u00edan entenderse\ndentro de este modelo.<\/p>\n\n\n\n

Una de las primeras cuestiones que se plante\u00f3 tras el descubrimiento de la radiaci\u00f3n beta es qu\u00e9 energ\u00eda ten\u00edan los electrones que la compon\u00edan. Tras los trabajos iniciales de Otto Hahn<\/a> y Lise Meitner<\/a>, el primer gran paso en esta direcci\u00f3n lo dio James Chadwick<\/a> en 1914. Por aquella \u00e9poca, Chadwick trabajaba en Berl\u00edn bajo la supervisi\u00f3n de Hans Geiger<\/a>, por lo que result\u00f3 natural que decidiera utilizar sus famosos contadores<\/a> para medir con precisi\u00f3n la energ\u00eda de los electrones emitidos, siendo capaz de mostrar que en lugar de tener una energ\u00eda fija (como s\u00ed ocurr\u00eda con las radiaciones alfa y gamma), \u00e9sta presentaba una distribuci\u00f3n continua en la que los electrones pod\u00edan tener cualquier energ\u00eda entre 0 y un valor m\u00e1ximo, tal y como se muestra en la siguiente figura.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Espectro de energ\u00eda de los electrones en la desintegraci\u00f3n beta. Una desintegraci\u00f3n a dos cuerpos presentar\u00eda una energ\u00eda fija (azul), mientras que las observaciones indicaban una distribuci\u00f3n continua de energ\u00edas (negro). Fuente: Monica Seglar-Arroyo.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Y esto era un problema. Tal y como se\u00f1al\u00f3 Lise Meitner, si la transici\u00f3n observada era una desintegraci\u00f3n del n\u00facleo original (A,Z) a otro n\u00facleo (A,Z+1) y un electr\u00f3n, se tratar\u00eda de una desintegraci\u00f3n a dos cuerpos, para la cual era bien sabido que las leyes de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda y el momento lineal implicaban una energ\u00eda fija bien determinada para el electr\u00f3n. Por lo tanto, el espectro continuo en la desintegraci\u00f3n beta no ten\u00eda ning\u00fan sentido. La propia Meitner plante\u00f3 que tal vez los electrones radiaban parte de su energ\u00eda al salir del intenso campo el\u00e9ctrico del n\u00facleo o al entrar al detector, lo cual explicar\u00eda que fueran detectados con energ\u00edas diferentes pese a ser emitidos siempre con la misma. No obstante, un importante experimento llevado a cabo por Charles Drummond Ellis<\/a> y William Wooster en 1927 descart\u00f3 esta hip\u00f3tesis utilizando para ello t\u00e9cnicas calorim\u00e9tricas capaces de determinar la energ\u00eda total emitida en la reacci\u00f3n. La conclusi\u00f3n era clara: los electrones producidos en la desintegraci\u00f3n beta tienen un espectro continuo, y eso parec\u00eda atentar contra la mism\u00edsima ley de conservaci\u00f3n de la energ\u00eda.<\/p>\n\n\n\n

La\nsegunda cuesti\u00f3n tiene que ver con el esp\u00edn de los n\u00facleos\ninvolucrados…<\/p>\n\n\n\n

Breve inciso: Una explicaci\u00f3n clara sobre lo que es el esp\u00edn<\/a> dar\u00eda para un art\u00edculo independiente, as\u00ed que por el momento simplemente debemos tener presente que es un n\u00famero propio de cada part\u00edcula. Protones y electrones tienen esp\u00edn igual a \u00bd, por lo que decimos que su esp\u00edn es semientero. Otras part\u00edculas tienen esp\u00edn igual a 0, 1, \u2026 y decimos que tienen esp\u00edn entero. Los espines se suman, lo que sirve para determinar el esp\u00edn de part\u00edculas compuestas a partir de los espines individuales de las part\u00edculas componentes. Por ejemplo, una part\u00edcula compuesta por dos part\u00edculas de esp\u00edn semientero tendr\u00e1 esp\u00edn entero. Y ahora volvamos a nuestra historia...<\/em><\/pre>\n\n\n\n
Consideremos\nel ejemplo del Nitr\u00f3geno-14. En el modelo nuclear prot\u00f3n-electr\u00f3n\nmencionado m\u00e1s arriba, este n\u00facleo estar\u00eda formado por 14 protones\ny 7 electrones. Al estar formado de un n\u00famero impar de part\u00edculas\ncon esp\u00edn semientero, 21 concretamente, ha de ser necesariamente un\nn\u00facleo con esp\u00edn semientero. Sin embargo, diversos experimentos\nse\u00f1alaban que el n\u00facleo de Nitr\u00f3geno-14 ten\u00eda esp\u00edn entero. Era\nevidente que algo no acababa de encajar en dicho modelo nuclear.<\/p>\n\n\n\n
Nos encontramos por lo tanto a finales de los a\u00f1os 20 y contamos con serios problemas para entender la desintegraci\u00f3n beta. La primera de las dos cuestiones, la relativa al espectro continuo de los electrones, fue la que focaliz\u00f3 la mayor parte de la atenci\u00f3n de los f\u00edsicos del momento, dando lugar a varias explicaciones muy ex\u00f3ticas. La m\u00e1s famosa de ellas es la propuesta por Niels Bohr<\/a>, quien propuso que la energ\u00eda NO se conservaba en los procesos nucleares individuales, siendo su “aparente” conservaci\u00f3n a escala macrosc\u00f3pica un efecto estad\u00edstico. Aunque Bohr nunca lleg\u00f3 a publicar esta idea, s\u00ed que la defendi\u00f3 en cartas a sus colegas, as\u00ed como en varias conferencias y discusiones. Dado que en estos momentos se estaba desarrollando la sorprendente mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, no es del todo de extra\u00f1ar que algunas personas pusieran en duda absolutamente todos los pilares de la f\u00edsica cl\u00e1sica. Otra hip\u00f3tesis ex\u00f3tica fue la planteada por George Paget Thomson<\/a>, quien propuso que los \u00e1tomos individuales de una sustancia radiactiva eran diferentes,  una idea que fue pronto abandonada dado que los ritmos de desintegraci\u00f3n observados eran completamente universales.<\/p>\n\n\n\n
Y en este contexto nace el neutrino. Es importante notar que la dificultad para entender el espectro continuo de los electrones se debe a que estamos asumiendo que se trata de una desintegraci\u00f3n a dos cuerpos, en la que la conservaci\u00f3n de la energ\u00eda impone una energ\u00eda fija para los electrones. Pero\u2026 \u00bfy si hubiera una tercera part\u00edcula que no somos capaces de detectar? En ese caso los electrones tendr\u00edan que compartir su energ\u00eda con dicha part\u00edcula, en ocasiones cediendo m\u00e1s y en ocasiones menos, lo que provocar\u00eda precisamente un espectro continuo. \u00c9sta fue la idea del austriaco Wolfgang Pauli<\/a>, quien no pudiendo acudir personalmente a una conferencia celebrada en T\u00fcbingen (Alemania), decidi\u00f3 presentarla a trav\u00e9s de una famosa carta<\/a> a sus “colegas radiactivos”. En esta carta (enviada personalmente a Lise Meitner el 4 de diciembre de 1930), Pauli planteaba la existencia de una nueva part\u00edcula neutra, muy ligera y de esp\u00edn \u00bd, que estaba escapando indetectada en la desintegraci\u00f3n beta. Esta part\u00edcula es el neutrino, que as\u00ed hizo su entrada en la f\u00edsica de part\u00edculas (aunque el nombre de “neutrino” fue introducido por Edoardo Amaldi<\/a> y popularizado por Enrico Fermi<\/a> unos a\u00f1os despu\u00e9s). Adem\u00e1s, si los neutrinos son constituyentes del n\u00facleo, como los protones y electrones, pueden ayudar a resolver el problema del esp\u00edn nuclear, tal y como el propio Pauli destaca en su carta. No obstante, este detalle es anecd\u00f3tico, puesto que hoy sabemos que en realidad ni electrones ni neutrinos son parte del n\u00facleo y que el problema del esp\u00edn de los n\u00facleos se resuelve con la introducci\u00f3n del neutr\u00f3n, una part\u00edcula descubierta en 1932 por Chadwick.<\/p>\n\n\n\n
Y as\u00ed naci\u00f3 el neutrino como part\u00edcula hipot\u00e9tica. \u00bfPero existir\u00eda realmente? \u00a1As\u00ed es! Los neutrinos fueron descubiertos experimentalmente por Frederick Reines<\/a> y Clyde Cowan<\/a> en 1956. Desde entonces los neutrinos nos han dado muchas sorpresas y hoy en d\u00eda siguen motivando numerosos art\u00edculos te\u00f3ricos y sofisticados experimentos. Por lo tanto… \u00a1larga vida a los neutrinos!<\/p>\n\n\n\n
Bibliograf\u00eda:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
–\nThe idea of the neutrino, L. M. Brown, Physics Today 31<\/strong>, Vol.\n9 (1978) 23.<\/p>\n\n\n\n
–\nWhen energy conservation seems to fail: the prediction of the\nneutrino, F. Guerra et al<\/em>, Sci & Educ. 23<\/strong> (2014)\n1339\u20131359.<\/p>\n\n\n\n
–\nNeutrino. History of a unique particle, S. M. Bilenky, European\nPhysical Journal H 38<\/strong> (2013) 345-404 [arXiv:1210.3065].<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Los neutrinos siguen siendo a d\u00eda de hoy objeto de intenso estudio tanto te\u00f3rico como experimental. La historia de su nacimiento nos conduce a principios del siglo XX, una \u00e9poca de apasionantes descubrimientos.<\/p>\n","protected":false},"author":42,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[6],"tags":[25,24],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/164"}],"collection":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/42"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=164"}],"version-history":[{"count":8,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/164\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":184,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/164\/revisions\/184"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=164"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=164"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=164"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}