Tipos de neutrinos y oscilaciones de neutrinos

Los neutrinos, al igual que los leptones cargados (electrón, muón, tau), los quarks del tipo superior (superior, encantado, verdadero) y el tipo inferior (inferior, extraño, encantador) son de tres tipos. Pero se pueden dividir en tipos de diferentes maneras. Al mismo tiempo, debido a la naturaleza cuántica de nuestro mundo, solo uno de ellos puede usarse a la vez. En este artículo explicaré por qué sucede esto y cómo un hecho tan interesante y científicamente importante como las oscilaciones de neutrinos se deriva de este hecho.

Puede pensar que cada partícula tiene una masa específica, por ejemplo, la energía de la masa de electrones es (E = mc ² ) 0.000511 GeV, y desde un posible punto de vista, tres tipos de neutrinos no son una excepción. Podemos clasificar tres neutrinos por sus masas (que todavía no se conocen exactamente), y llamarlos, desde el más ligero hasta el más pesado, neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3. Llamaremos a esa división de clasificación de masas, y a esos tipos de neutrinos - tipos de masas.


Fig. 1

Otra forma de clasificar los neutrinos es por su relación con los leptones cargados (electrones, muones y tau). Esto se menciona en un artículo sobre cómo se verían las partículas si el campo de Higgs fuera cero. La mejor manera de entender esto es enfocarse en cómo los neutrinos se ven afectados por las interacciones nucleares débiles, lo que se refleja en sus interacciones con la partícula W. La partícula W es muy pesada, y si la produce, puede descomponerse (Fig. 1) en una de las tres cargadas. antileptones y uno de los tres neutrinos. Si W se descompone en antitau, aparecerá un neutrino tau. Del mismo modo, si W se descompone en un antimuón, aparecerá un neutrino muón. (Lo que es crítico para crear un rayo de neutrino, un pión se descompone con la ayuda de interacciones débiles, y el neutrino antimuón y muón se obtiene de los piones cargados positivamente). Y si W se descompone en un positrón, aparecerá un neutrino electrónico. Llamaremos a esto una clasificación débil, y estos neutrinos son neutrinos de un tipo débil, ya que la interacción débil los determina.

Bueno, cual es el problema? Usamos constantemente diferentes clasificaciones aplicadas a las personas. Decimos que las personas son jóvenes, viejas y viejas; son altos, medianos y bajos. Pero las personas pueden dividirse opcionalmente, por ejemplo, en nueve categorías: jóvenes y altos, jóvenes y de mediana edad, adultos y bajos, ancianos y bajos, y así sucesivamente. Pero la mecánica cuántica nos prohíbe hacer lo mismo con las clasificaciones de neutrinos. No hay neutrinos que sean a la vez muon neutrinos y neutrinos-1; no hay tau-neutrino-3. Si te digo la masa del neutrino (y, por lo tanto, si pertenece al grupo neutrino-1, 2 o 3), simplemente no puedo decirte si es electrónico, muónico o tau-neutrino. Un neutrino de cierto tipo de masa es una mezcla o "superposición" de tres neutrinos de tipo débil. Cada neutrino de tipo masa (neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3) es una mezcla precisa pero diferente de neutrinos electrónicos, muónicos y tau-neutrinos.

Lo contrario también es cierto. Si veo cómo un pión se descompone en un antimuón y un neutrino, inmediatamente descubro que el neutrino resultante será un neutrino muón, pero no puedo encontrar su masa, porque será una mezcla de neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3 . Los neutrinos electrónicos y los neutrinos tau también son mezclas precisas pero diferentes de tres neutrinos de masas específicas.

La conexión entre estos tipos masivos y débiles es más similar (pero no exactamente consistente) a la relación entre las clasificaciones de las carreteras estadounidenses que van "de norte a sur" y "de oeste a este" (el gobierno de EE. UU. Las divide de esta manera, asignando números impares a C / Sur e incluso caminos simples (B / N), y dividirlos en caminos que van de "noreste a suroeste" y de "sureste a noroeste". El uso de cualquier clasificación tiene sus ventajas: la clasificación N / S - W / N es adecuada si te enfocas en la latitud y longitud, y NE / SW - SE / NW será más conveniente cerca de la costa, ya que va del suroeste al norte Este Pero ambas clasificaciones no pueden usarse simultáneamente. El camino hacia el noreste es en parte norte y en parte este; no se puede decir que ella sea esto o aquello. Y el camino del norte es una mezcla de noreste y noroeste. Lo mismo ocurre con los neutrinos: los neutrinos en masa son una mezcla de neutrinos débiles, y los neutrinos débiles son una mezcla de unos en masa. (La analogía dejará de funcionar si decide utilizar la clasificación mejorada de carreteras C / S - N / S - S / S - S / S - S / N; para el neutrino, esta opción no existe).

La incapacidad de clasificar los neutrinos, atribuyéndolos a cierto tipo de masa y a cierto tipo débil, es un ejemplo del principio de incertidumbre , similar a una extrañeza que al mismo tiempo prohíbe conocer la posición exacta y la velocidad exacta de una partícula. Si conoce exactamente una de estas propiedades, no tiene idea de la otra. O puede aprender algo sobre ambas propiedades, pero no todas. La mecánica cuántica te dice exactamente cómo equilibrar tu conocimiento y tu ignorancia. Por cierto, estos problemas no se aplican solo a los neutrinos. Están asociados con otras partículas, pero son especialmente importantes en el contexto del comportamiento de los neutrinos.

Hace décadas, todo era más simple. Luego se creía que los neutrinos no tenían masa, por lo que era suficiente para usar una clasificación débil. Si observa trabajos antiguos o libros antiguos para personas comunes, solo verá nombres como neutrinos electrónicos, neutrinos muones y neutrinos tau. Sin embargo, después de los descubrimientos de la década de 1990, esto ya no es suficiente.

Y ahora comienza la diversión. Supongamos que tiene un neutrino de alta energía del tipo electrónico, es decir, una cierta mezcla de neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3. Un neutrino se mueve en el espacio, pero sus tres tipos de masa diferentes se mueven con velocidades ligeramente diferentes, muy cercanas a la velocidad de la luz. Por qué Porque la velocidad de un objeto depende de su energía y masa, y tres tipos de masa tienen tres masas diferentes. La diferencia en sus velocidades es extremadamente pequeña para cualquier neutrino que podamos medir, nunca se ha observado, ¡pero su efecto es sorprendentemente fuerte!

La diferencia de velocidad de neutrinos: algunas fórmulas

La velocidad de partículas v en la teoría de la relatividad de Einstein se puede escribir en términos de la masa de partículas my energía E (esta es la energía total, es decir, la energía de movimiento más la energía de masa E = mc ² ), y la velocidad de la luz c, como:

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2) ^ {1/2}$$

Si una partícula tiene una velocidad muy alta y su energía total E es mucho mayor que la energía de masa mc ² , entonces

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2/2 + ...)$$

Donde los puntos nos recuerdan que esta fórmula no es exacta, sino una buena aproximación a la gran E. En otras palabras, la velocidad de una partícula que se mueve casi a la velocidad de la luz difiere de la velocidad de la luz en una cantidad igual a la mitad del cuadrado de la relación de la energía de masa de la partícula a su energía total . De esta fórmula se puede ver que si dos neutrinos tienen masas diferentes m ₁ y m ₂ , pero la misma gran energía E, entonces sus velocidades difieren muy poco.

Veamos qué significa eso. Todos los neutrinos medidos de una supernova que explotó en 1987 llegaron a la Tierra en un intervalo de 10 segundos. Supongamos que una supernova emite un neutrino electrónico con una energía de 10 MeV. ¡Este neutrino era una mezcla de neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3, cada uno de los cuales se movía a una velocidad ligeramente diferente! ¿Nos daríamos cuenta de esto? No sabemos exactamente las masas de los neutrinos, pero supongamos que el neutrino-2 tiene una energía de masa de 0.01 eV, y el neutrino-1 tiene una energía de masa de 0.001 eV. Entonces, sus dos velocidades, dado que sus energías son iguales, diferirán de la velocidad de la luz y entre sí en menos de una parte de cien mil billones:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0.0000000000000000005 c$$

(el error de todas las ecuaciones no supera el 1%). Tal diferencia de velocidad significa que partes de neutrino-2 y neutrino-1 del neutrino electrónico original llegarían a la Tierra con una diferencia de un milisegundo; esa diferencia no puede detectarse por muchas razones técnicas.

* * *

Y ahora, desde lo interesante, pasamos a cosas realmente extrañas.

Esta pequeña diferencia en las velocidades hace que la mezcla exacta de neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3, que es un neutrino electrónico, cambie gradualmente al moverse en el espacio. Esto significa que el neutrino electrónico con el que comenzamos deja de ser nosotros mismos con el tiempo y corresponde a una mezcla específica de neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3. Las diferentes masas de neutrinos de tres tipos de masa convierten el neutrino electrónico inicial durante el movimiento en una mezcla de neutrinos electrónicos, neutrinos muones y neutrinos tau. Los porcentajes de la mezcla dependen de la diferencia de velocidades y, por lo tanto, de la energía del neutrino inicial, así como de la diferencia de masas (más precisamente, de la diferencia en cuadrados de masas) del neutrino.


Fig. 2

Al principio, el efecto aumenta. Pero, curiosamente, como se muestra en la Fig. 2, este efecto no solo crece constantemente. Crece, y luego disminuye nuevamente, y luego vuelve a crecer, disminuye una y otra vez, en el proceso de movimiento de neutrinos. Esto se llama oscilaciones de neutrinos. Cómo ocurren exactamente depende de qué masas de neutrinos son y cómo se mezclan allí los neutrinos en masa y los neutrinos débiles.

El efecto de las oscilaciones se puede medir debido al hecho de que un neutrino electrónico que colisiona con un núcleo (es decir, se pueden detectar neutrinos) puede convertirse en un electrón, pero no en un muón o tau, mientras que un neutrino muón puede convertirse en un muón, pero no en electrón o tau. Entonces, si comenzamos con un haz de neutrinos de muón, y después de movernos a cierta distancia, algunos neutrinos colisionaron con los núcleos y se convirtieron en electrones, esto significa que las oscilaciones ocurren en el haz y los neutrinos de muones se convierten en neutrinos de electrones.

Un efecto muy importante complica y enriquece esta historia. Como la materia ordinaria consiste en electrones, pero no en muones y tau, los neutrinos de electrones interactúan con ella de una manera diferente que el muón o la tau. Estas interacciones que ocurren a través de la interacción débil son extremadamente pequeñas. Pero si el neutrino pasa a través de un gran espesor de materia (por ejemplo, a través de una fracción tangible de la Tierra o el Sol), estos pequeños efectos pueden acumularse y afectar en gran medida las oscilaciones. Afortunadamente, sabemos lo suficiente sobre las interacciones nucleares débiles para predecir estos efectos en detalle y calcular toda la cadena hacia atrás, desde las mediciones en un experimento hasta descubrir las propiedades de los neutrinos.

Todo esto se hace utilizando la mecánica cuántica. Si esto no es intuitivo para ti, relájate; para mí esto tampoco es intuitivo. Obtuve toda mi intuición de las ecuaciones.

¡Resulta que la medición cuidadosa de las oscilaciones de neutrinos es la forma más rápida de estudiar las propiedades de los neutrinos! Por este trabajo ya han otorgado el Premio Nobel. Toda esta historia surgió de la interacción clásica del experimento y la teoría, que se extiende desde la década de 1960 hasta la actualidad. Mencionaré la más importante de las medidas tomadas.

Para empezar, podemos estudiar los neutrinos de electrones producidos en el centro del Sol, en su horno nuclear bien estudiado. Estos neutrinos viajan a través del sol y a través del espacio vacío hasta la tierra. Se descubrió que cuando llegan a la Tierra, con la misma probabilidad pueden pertenecer al tipo de muón o tau, así como al tipo de neutrino electrónico. Esto en sí mismo sirve como evidencia de oscilaciones de neutrinos, y la distribución exacta nos brinda información detallada sobre los neutrinos.

También tenemos neutrinos muónicos que surgen de la descomposición de los piones que surgen en los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas de alta energía que provienen del espacio exterior y colisionan con núcleos atómicos en la atmósfera superior. En las cascadas de partículas resultantes, a menudo se encuentran piones, muchos de los cuales se descomponen en neutrinos y antimuones muónicos, o en antineutrinos muones y muones. Detectamos algunos de estos neutrinos (y antineutrinos) en nuestros detectores, y podemos medir la cantidad de ellos que pertenecen a los neutrinos electrónicos (y antineutrinos) dependiendo del grosor de la Tierra que pasaron antes de ingresar al detector. Esto nuevamente nos da información importante sobre el comportamiento del neutrino.

Estos neutrinos "solares" y "atmosféricos" nos enseñaron mucho sobre las propiedades de los neutrinos en los últimos veinte años (y el primer indicio de algo interesante sucedió hace casi 50 años). Y a estas fuentes naturales de energía se agregan varios estudios realizados con rayos de neutrinos, como los utilizados en el experimento OPERA , así como con neutrinos de reactores nucleares convencionales. Cada una de las mediciones es en su mayor parte consistente con la interpretación estándar de los neutrinos atmosféricos y solares, y permite mediciones más precisas de mezclas de tipos de masa y tipos débiles de neutrinos y diferencias en las masas cuadradas de neutrinos en masa.

Como era de esperar, en los experimentos hay ligeras discrepancias con las expectativas teóricas, pero ninguna de ellas ha sido confirmada, y la mayoría, si no todas, son solo accidentes o problemas estadísticos a nivel experimental. Hasta ahora, no se ha confirmado ninguna contradicción con la comprensión de los neutrinos y su comportamiento en varios experimentos. Por otro lado, toda esta imagen es bastante nueva y está bastante mal probada, por lo que es bastante posible, aunque poco probable, que pueda tener interpretaciones completamente diferentes. De hecho, ya se han propuesto alternativas bastante serias. Por lo tanto, el refinamiento de los detalles de las propiedades de los neutrinos es un campo de investigación en desarrollo activo en el que, en su mayor parte, hay acuerdo, pero algunas preguntas aún permanecen abiertas, incluida una determinación completa e irreversible de las masas de neutrinos.