Cómo comenzó la física de neutrinos

Recientemente pasó el 61 aniversario del nacimiento de la física experimental de neutrinos. Para la fecha redonda, llegué un año tarde, pero aún así. Quiero contarles cómo apareció una de las áreas más interesantes de la física moderna. Todo comenzó con el hecho de que para cumplir con las leyes de conservación de la energía y el impulso, se inventó una partícula fundamentalmente no registrada. Luego, este "poltergeist" fue buscado cuidadosamente, y de una manera muy extravagante. Hasta ideas, para detonar bombas nucleares para el registro de 2-3 eventos, además, un detector monótono de caída libre durante un par de segundos.

Así comenzó la historia de un campo completamente nuevo en física, que trajo más premios Nobel que ningún otro.

Electrones equivocados

A fines del siglo XIX, cuando los físicos temían seriamente que todas las leyes posibles ya estuvieran abiertas y la profesión perdiera relevancia, Becquerel descubrió el efecto de la radioactividad, comenzando una nueva era en la física. Durante el estudio, este efecto se dividió en tres tipos: radiación alfa, beta y gamma. La primera era una corriente de núcleos de helio, la segunda una corriente de electrones y la tercera una corriente de fotones. La radiactividad en sí misma se representó como la transición de un átomo de un estado con alta energía a un estado con poca energía, y la diferencia era exactamente igual a la energía de la partícula emitida.

Todo estuvo bien hasta que James Chadwick en 1914 midió la energía de los electrones producidos como resultado de la desintegración beta. En lugar de varias líneas claras, como fue el caso de todos los demás tipos de radiación, observó un espectro continuo.



Esto hizo que la comunidad científica pensara durante mucho tiempo y revisara los fundamentos de la física. Einstein, visitando el laboratorio de Chadwick, admitió que no tiene idea de cómo explicar este comportamiento, Debye escribió sobre esto: "Oh, es mejor no pensar en todo esto ... como nuevos impuestos". Niels Bohr mismo invadió el lugar santísimo: la ley de conservación de la energía. Durante varios años, estuvo seguro de que esta ley estaba siendo violada en el micromundo y estaba desarrollando una teoría apropiada.

La idea de una partícula "no registrada"

Después de casi 20 años en 1930, Pauli sugirió que podría haber una partícula de luz eléctricamente neutra, que elimina la energía faltante. Llamó a esta partícula un neutrón. Formó su propuesta en una carta al Congreso Científico de Tubingham (bajo el corte). Destacan los llamamientos de "Estimados señores y señores radiactivos", "estimados radiactivos", así como la razón por la cual el Sr. Pauli no asistió al congreso. Tenía una pelota por la noche. Las damas no esperarán hasta que abras una nueva partícula aquí.


Pero en 1932, el ya mencionado James Chadwick descubrió una partícula neutral con una masa cercana a la masa de un protón y, por armonía, lo llamó neutrón. Para evitar confusiones, la partícula hipotética Pauli recibió el nombre de "neutrino" (literalmente, "neutrón"). Pauli mismo dijo que había cometido un error imperdonable para el teórico: propuso una partícula fundamentalmente no registrada. E incluso discutió con un colega un astrónomo con una botella de champán que durante su vida no se confirmaría su hipótesis. Mirando hacia el futuro, diré que Pauli perdió el argumento. Dos años antes de su muerte, fue posible observar la señal directamente del neutrino.

Es de destacar que después de más de 30 años de observación, la naturaleza de la radiactividad no se conocía realmente. El proceso se presentó de la siguiente manera: en el núcleo de un átomo, algo sucede allí, la carga aumenta en uno, la masa se conserva y el electrón sale volando. Es por eso que el neutrón se descubrió solo décadas después de observar su descomposición. En 1934, Enrico Fermi creó por primera vez una teoría armoniosa de la desintegración beta. Utiliza la hipótesis de Pauli de la existencia de un neutrino. Ahora el proceso es el siguiente:

$$

$$n \ to p ^ ++ e ^ - + \ bar {\ nu}$$

La teoría coincidió brillantemente con el experimento de un pequeño defecto. Todavía no ha habido ninguna evidencia de la existencia de un neutrino.

Evidencia indirecta de existencia poltergeist

La búsqueda de una partícula desconocida comenzó. La teoría de Fermi dio muy buenas pistas sobre cómo encontrar esa partícula. La reacción de desintegración beta podría "desplazarse" en diferentes direcciones, en particular, podría considerarse la captura de un antineutrino por un protón con la formación de un positrón y un neutrón.



No fue difícil calcular la probabilidad de tal evento, pero el resultado fue muy desconcertante para los físicos. Para que la interacción suceda exactamente, el neutrino debe viajar una distancia de 10 millones de veces mayor que la distancia del Sol a la Tierra en plomo. Esto obligó a los científicos a retirarse durante mucho tiempo de la búsqueda de interacciones de neutrinos e intentar buscar evidencia indirecta.

La primera evidencia indirecta fue obtenida ya en 1936 por Alexander Ilyich Leipunsky. Propuso, y pronto realizó estudios sobre la reacción de descomposición de un isótopo de carbono:

$$

$${} ^ {11} _6C \ a {} ^ {11} _5B + e ^ ++ \ nu$$

El átomo de carbono inicial está en reposo, por lo que si el neutrino no existe, el momento total del átomo de boro y el positrón debería ser cero. Como las partículas de interés tienen una carga, no fue difícil medir sus momentos. El experimento mostró que la expansión de los átomos de boro y positrones no está compensada, lo que significa que una determinada partícula, como se esperaba, se lleva el impulso.

La segunda versión del experimento fue propuesta en 1938 por Alikhanov y Alikhanian e implementada en 1942 por Allen. La idea era estudiar la captura de electrones en el átomo de berilio:

$$

$${} ^ 7Be + e ^ - \ a {} ^ {7} Li + \ nu$$

Un electrón del orbital inferior se encuentra con cierta probabilidad en el núcleo mismo y puede reaccionar con un protón para formar un neutrino. Inicialmente, el átomo está en reposo, y si una partícula sale repentinamente de él, el átomo de litio resultante debería volar en la dirección opuesta. La experiencia demostró una vez más la existencia de una misteriosa partícula.

De esta manera, se obtuvo evidencia convincente de la existencia de un neutrino, pero la detección directa de una partícula durante mucho tiempo siguió siendo una tarea sin resolver y muy emocionante.

Proyecto Poltergeist o una bomba sin explotar

Aquí Raines y Cowen aparecen en el escenario. El primero de ellos durante la Segunda Guerra Mundial y luego participó activamente en las pruebas de bombas nucleares. Entonces tiene la idea de usar una explosión nuclear como fuente de neutrinos.




La idea inicial del experimento fue muy, muy inusual. Se planeó registrar la desintegración beta inversa, pero como ya se mencionó, tales eventos son extremadamente raros. Para aumentar la probabilidad de interacción, se necesita un flujo de neutrinos muy grande y un volumen de detector enorme.

Se colocó una bomba nuclear con una capacidad de 20 kilotones en una torre de 30 metros. Su explosión fue servir como fuente de una gran cantidad de neutrinos. Por cierto, "Baby", que cayó sobre Hiroshima, tenía el mismo poder. Los tiempos eran más simples, por el bien de las vagas perspectivas, había algo que registrar para la detonación de bombas, y el proyecto recibió apoyo. Cuanto más cerca del epicentro de la explosión, más fuerte es el flujo de neutrinos. Pero al mismo tiempo, una onda de choque es más fuerte. El enorme detector planificado, que pesaba una tonelada, simplemente no pudo resistir tales choques. Para proteger la instalación, decidieron arrojarla a un pozo de vacío en el momento de la explosión. Luego, la onda de choque en el suelo no dañará el detector, y después de volar un par de segundos en caída libre y registrar varios eventos de neutrinos, aterriza suavemente sobre un revestimiento de goma. Unos días más tarde, cuando la situación de radiación en la superficie se vuelve segura, planearon desenterrar el detector y finalmente descubrir el secreto del neutrino.
No cabe en mi cabeza cómo, al desarrollar un detector que es 1000 veces más grande que todos los existentes en tamaño, puede atreverse a realizar un experimento tan audaz: arrojarlo a una mina en una larga caída libre.

Pero el esquema original no estaba destinado a ser implementado. Al explorar las posibilidades de reducir el fondo de los neutrones voladores, los rayos gamma y otros rayos penetrantes, el equipo decide la reacción deseada.

$$

$$\ bar {\ nu} + p ^ + \ to n + e ^ +$$

no solo registra positrones, sino también neutrones. Para hacer esto, planearon agregar cadmio al detector, que capturará neutrones y emitirá fotones, que ya son muy fáciles de detectar.

$$

$$n + {} ^ {108} Cd \ a {} ^ {109m} Cd \ a {} ^ {109} Cd + \ gamma$$

La vida útil del isótopo de cadmio 109m es de solo decenas de microsegundos. Por lo tanto, la señal de la interacción de neutrinos adquiere una firma muy clara: el positrón se aniquila casi inmediatamente con el electrón, emitiendo un par de fotones con una energía bien definida, y después de unos pocos microsegundos se produce un segundo destello, el resultado de la captura de neutrones por cadmio y nuevamente con una energía bien definida. La supresión repetida del fondo hizo posible utilizar la bomba nuclear ya destructiva como fuente, pero un reactor completamente pacífico. Además, este método permite la exposición durante meses y años, obteniendo resultados cada vez más confiables.

Después de desarrollar el concepto, los científicos comenzaron a diseñar y probar el detector. En ese momento fue una instalación revolucionaria. En ese momento, el volumen del detector por litro se consideraba "grande", aquí se planeó usar un metro cúbico del objetivo rodeado de 90 fotomultiplicadores . A modo de comparación, los experimentos modernos, como Super Kamiokande, tienen un volumen de 50,000 metros cúbicos y 13,000 PMT son visibles. El Hyper-Kamiokande planeado es 20 veces más grande y usa 100,000 PMT.

Primer resultado

En 1953, comenzó una sesión de conjunto de datos en el reactor Hanford. Los procesos de fondo de otras partículas que salieron del reactor causaron muchos problemas al equipo. Tuve que convertir constantemente cientos de toneladas de plomo, modificar equipos basura, electrónica, dar falsos positivos, etc. El equipo trabajó con total dedicación, esperando un resultado revolucionario. Pero a pesar de todos los esfuerzos, los antecedentes de los rayos cósmicos y la electrónica eran demasiado grandes. Las estadísticas recopiladas con el reactor encendido y apagado dieron una pista de que sí ocurrieron interacciones de neutrinos, pero no había certeza. Sin embargo, un grupo de científicos, inspirados por el primer resultado, comenzó a modernizar el detector para seguir trabajando.

La segunda etapa de la investigación fue la observación en el reactor del río Savannah. El nuevo detector constaba de dos tanques con agua y tres cilindros llenos de un centelleador líquido, una sustancia que brilla cuando la radiación lo atraviesa.



El principio sigue siendo el mismo: buscar coincidencias de dos señales: aniquilación de positrones y captura de neutrones. La elección del reactor en el río Savannah se debió al hecho de que era un reactor nuevo y más potente, y además había una sala blindada subterránea, lo que reducía significativamente el efecto de la radiación cósmica. El resultado no tardó en llegar, solo unos meses después, en junio de 1956, después de numerosos controles, se obtuvo evidencia irrefutable de interacciones de neutrinos. ¡La puerta a la nueva física estaba abierta!

Raines y Cowan inmediatamente cablegrafían a Pauli sobre su descubrimiento.



Habiendo recibido ese telegrama, Pauli interrumpió la reunión en el CERN para leerle a la audiencia noticias tan importantes. Y luego, en honor a este descubrimiento, Wolfgang y sus amigos bebieron una caja de champaña. Muchos años después, se conoció el texto de la respuesta nunca enviada:

Gracias por el mensaje Todo llega a quien sabe esperar. Pauli

Resultados y trabajos posteriores

La confirmación independiente de este resultado se obtuvo solo después de 8 años en un experimento de aceleración. Y la repetición del experimento del reactor se llevó a cabo solo después de 20 años. A pesar de la gran apreciación de la comunidad científica, los premios no tuvieron prisa en derramar sobre los descubridores de la partícula que interactúa más débilmente. La ironía fue que en 1988 Lederman, Schwartz y Steinberger recibieron el Premio Nobel por el descubrimiento de un nuevo tipo de neutrino: el muón, por el descubrimiento fundamental del propio neutrino, el premio se emitió solo en 1995 y solo a Raines. Cowen no estuvo a la altura de este punto.

Posteriormente, Raines continuó su investigación, midió la probabilidad de interacción de un neutrino con un electrón, con un deuterón; Primero se registraron los neutrinos "naturales" que nacen en la atmósfera, sentaron muchas de las bases de esta sección de la física.

Hubo muchos más descubrimientos sorprendentes por delante: registro de nuevas variedades de neutrinos, descubrimiento de la helicidad de los neutrinos, separación de neutrinos y antineutrinos, observación de oscilaciones , registro de neutrinos de explosiones de supernovas , búsquedas de violación de CP . Por primera vez, los astrofísicos pudieron observar el Universo no a través de la observación de ondas electromagnéticas precisamente con la ayuda de neutrinos. Se ha construido una gran cantidad de detectores potentes y se siguen construyendo para estudiar esta esquiva partícula

En conclusión, ¡quiero decir que hay una gran cantidad de neutrinos en cada uno de nosotros! Cada segundo, alrededor de 100 mil millones de partículas pasan a través de un centímetro cuadrado en la Tierra.

Fuentes

1. Un artículo bueno, pero ya muy anticuado y con una gran cantidad de errores tipográficos sobre la historia de la física de los neutrinos.
2. Los Alamos Science Number 25 1997
3. Frederick Raines 1995 Conferencia Nobel
4. Mucho Wikipedia en inglés