Chapter 2 Grounded theory methodology
3.3 The research problem
2.2.1
Observación del neutrino electrónico y del anti-
neutrino electrónico
Los neutrinos son partículas muy dificiles de detectar, fueron por primera vez observadas por Reines y Cowan al final de los años 50, alrededor de 25 años después de que su existencia fuera postulada por Pauli en 1932. Se consiguió con el estudio de la reacción inversa a (2.3)
¯
νe+ p→ n + e+
Para ello se usó el intenso flujo producido por un reactor nuclear. Esta reacción es muy dificil de observar ya que la sección eficaz, para el espectro de energías de los antineutrinos producidos después de las reacciones de fisión, es muy pequeña, del orden de 10−43 cm2 = 10−19 b. Con los antineutrinos
se bombardeó dos tanques llenos de 200 litros de agua en la que se habían disuelto sales de cadmio (CdCl2), cada tanque estaba colocado entre inmensos
detectores de centelleo líquido. El experimento requería un conocimiento muy riguroso de la eficiencia del detector. Finalmente se demostró que la diferencia entre el número de señales detectadas cuando el reactor estaba en funcionamiento y las detectadas cuando estaba parado, coincidía con lo que
se esperaba debido al flujo de neutrinos producidos por el reactor (alrededor de 1013 neutrinos/cm2s).
Davis realizó una experiencia similar, para ver si los antineutrinos podían producir la reacción
¯
νe+ n → p + e−
que sería la inversa de (2.4), si el νe y el ¯νefueran la misma partícula. Usaron
un gran tanque de CCl4y buscaron la producción de37Ar debida a la reacción
¯
νe+ 37Cl → 37Ar + e−
Esta experiencia dió un resultado negativo, con lo que se demostraba que los neutrinos y los antineutrinos son partículas diferentes. A esta misma conclusión se llegó con la información experimental que nos proporciona la desintegración doble beta, como se ha visto en capítulos anteriores.
2.2.2
Evidencia de la naturaleza diferente de los neu-
trinos de las tres familias de leptones
La ley de conservación del número de generación de leptones se basa en la suposición de que los neutrinos de cada familia son diferentes. Esto se ha comprobado experimentalmente para los neutrinos electrónicos y los muónicos.
Cuando un haz de protones de alta energía (varios GeV) bombardean un blanco de cualquier elemento, se produce un gran número de piones positivos y negativos. Estos tienen una vida media de 2, 6×10−8 s, desintegrándose en un muón y un neutrino. La desintegración, según la conservación del número leptónico familiar será
π− → µ−+ ¯νµ
y
π+ → µ++ νµ
Los muones y otras partículas cargadas que se puedan producir, se eliminan aplicando un campo apropiado, con lo que sólo los neutrinos interaccionarán con los protones y los neutrones del detector, en el que se producen electrones y positrones o muones negativos y positivos. Si es cierto que se conserva el número leptónico familiar, se puede esperar que las siguientes reacciones
y
¯
νµ+ p→ µ++ n
tengan lugar, mientras que las reacciones νµ+ n→ e−+ p
ó
¯
νµ+ p→ e++ n
estén prohibidas. Esta experiencia fue hecha por Danby. Solamente detectó muones, y ningún electrón o positrón, por lo que la diferente naturaleza de los neutrinos electrónicos y los muónicos quedó demostrada.
El número de neutrinos tauónicos es tan pequeño que aún no ha sido posible probar que son diferentes de los electrónicos o los muónicos. Sin embargo, se supone que la ley de conservación del número leptónico de familia también se cumple para esta familia.
2.2.3
Helicidad del neutrino
Una vez que se ha comprobado que el neutrino y el antineutrino son di- ferentes, nos debemos preguntar cuál es la propiedad intrínseca que los hace diferentes. Experimentalmente se ha comprobado que hay una propiedad que los distingue: todos los antineutrinos tienen el espín paralelo al momen- to lineal (dirección del movimiento), mientras que los neutrinos lo tienen antiparalelo. Esta propiedad se denomina helicidad y se define como:
h = ~s· ~p |~s · ~p|
donde ~s es el espín y ~p es el momento lineal4. Toma el valor h = +1, para
el antineutrino y h =−1 para el neutrino (se suele decir que el antineutrino es ”diestro” y el neutrino ”zurdo”, ya que la precesión de ~s alrededor de ~p describe una trayectoria similar al recorrido de un tornillo diestro para los antineutrinos y de un tornillo ”zurdo” para los neutrinos). Los electrones emitidos en la desintegración β tienen una propiedad similar, con h =−v/c para e− y h = +v/c para e+, pero no se trata de una propiedad intrínseca de
todos los electrones, sino sólo de los emitidos en procesos β. Los electrones
en los átomos no tienen helicidad definida, ni tampoco los que se originan en la producción de pares. Para que la helicidad sea un magnitud intrínseca el neutrino debe tener masa nula.
Figura p2.2 - En a) el espín y la velocidad son paralelos (Helicidad +1) En b) son antiparalelos (Helicidad -1)
2.2.4
Masa del neutrino
Una cuestión abierta de gran importancia es determinar si los neutrinos son partículas de masa nula o no. Además de estar relacionado con el hecho de que la helicidad sea una magnitud intrínseca de los neutrinos, también lo está con la posibilidad de lo que se denomina las oscilaciones de neutrinos: según la teoría, si los neutrinos tuvieran masas diferentes a cero, un neutrino de una familia se podría transformar en un neutrino de otra familia con lo que se violaría la ley de conservación del número leptónico de familia.
En los últimos años se han realizado un gran número de experimentos para resolver este problema. Todos ellos son consistentes con la hipótesis de neutrinos con masa cero y proporcionan límites superiores para las masas de las tres familias de neutrinos.
En el caso del neutrino electrónico la determinación más exacta de su masa consiste en estudiar el máximo (end-point) de la energía los electrones emitidos en la desintegración del tritio
3 1H →
3
2He + e−+ ¯νe+ 18, 6 keV
Si el neutrino tiene masa nula, aparte de la pequeña correción por la energía de retroceso del 3He, la energía máxima del electrón debería ser
de cero la energía máxima sería inferior a ese valor, y la diferencia entre esa energía máxima y la Q sería el valor de la masa del neutrino. Las medidas más recientes, dan como límite superior a la masa del neutrino electrónico un valor de 5,1 eV, con un margen de confianza del 95%.
En el caso del neutrino muónico, la medida más exacta del límite superior para su masa se obtiene con el estudio de la desintegración del pión
π+→ µ++ νµ
Y el límite superior para el neutrino tauónico se obtiene del estudio de la desintegración del tauón
τ− → 3π−+ 2π++ ντ
2.2.5
Neutrinos solares
Aparece en el capítulo de Fisión y Fusión del las Unidades Didácticas.