EL NEUTRINO CUMPLE 80 AÑOS

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1 Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp) Vol. 104, Nº. 2, pp , 2010 XII Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica EL NEUTRINO CUMPLE 80 AÑOS MANUEL AGUILAR BENÍTEZ DE LUGO* * Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Director del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT RESUMEN En el año 2010 se han cumplido 80 años desde que en 1930 W. Pauli propuso, en una carta abierta a las personas radioactivas, la existencia de una partícula neutra, el neutrino según la denominación propuesta por E. Fermi en 1933, emitida en la desintegración nuclear beta (β) y así solventar la aparente violación de la conservación de la energía en este tipo de procesos. Transcurrieron más de 20 años hasta que en 1953 F. Reines y C. L. Cowan descubrieron el neutrino analizando la emisión de partículas en el reactor nuclear de Savannah River. En 1962, en un experimento en el Laboratorio Nacional de Brookhaven dirigido por L. M. Lederman, M. Schwartz y J. Steinberger, se observaron reacciones de neutrinos de alta energía cuyo estudio puso de manifiesto la existencia de dos variedades de neutrinos. Hoy se sabe que existen tres neutrinos ligeros asociados respectivamente al electrón, muón y leptón tau. En este trabajo se describirán algunos hitos importantes en la fascinante historia de los evasivos neutrinos, su extraordinaria relevancia para entender algunas cuestiones de gran interés en Física y Astrofísica de Partículas Elementales y las estrategias experimentales para profundizar en el conocimiento de sus propiedades. INTRODUCCIÓN Es innegable que en los últimos 100 años se ha avanzado mucho en el conocimiento de lo infinitamente grande y de lo infinitamente pequeño, pero afortunadamente queda mucho por conocer para rellenar los huecos en el conocimiento de lo ordinario y de lo extraordinario. Durante décadas se asumió que los neutrinos eran partículas de masa nula, siendo ésta una de las hipótesis de partida del Modelo Estándar de Partículas e Interacciones. Las discrepancias entre las medidas del flujo de neutrinos procedentes del Sol, realizadas en la década de los 60 por R. Davis y colaboradores, y las predicciones del Modelo Estándar del Sol, desarrollado por J. Bahcall y colaboradores, fueron confirmadas por experimentos posteriores realizados en Japón, Italia y Rusia. La explicación de este enigma es la existencia de un fenómeno de naturaleza cuántica, las oscilaciones de neutrinos, que implica que los neutrinos cambian su naturaleza al moverse y tienen masas distintas de cero. Figura 1. Esquema de la historia térmica del Universo

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5 Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; Algunos de los temas mencionados en esta breve introducción (neutrinos, materia y energía oscura) forman parte del núcleo central de las investigaciones en Astrofísica de Partículas, una disciplina científica en la frontera de la Física de Partículas Elementales, la Astrofísica Nuclear y la Cosmología. Enunciamos a continuación las cuestiones prioritarias que establece la hoja de ruta de esta disciplina [23]-[25]: 1. De qué está hecho el Universo? Qué es la materia oscura? Qué es la energía oscura? 2. Tiene el protón vida media finita o es infinitamente estable? 3. Cuáles son las propiedades de los neutrinos? Qué papel juegan en la evolución cósmica? 4. Qué nos dicen los neutrinos acerca del interior del Sol y de la Tierra, y acerca de las explosiones de supernovas? 5. Cuál es el origen de los rayos cósmicos? Qué aspecto tiene el cielo a energías extremas? 6. Qué nos van a enseñar las ondas gravitacionales acerca de los procesos cósmicos violentos y acerca de la gravedad? El estudio de todas estas cuestiones requiere una variadísima instrumentación, localizada en muy diversos laboratorios (laboratorios con aceleradores, observatorios astronómicos, laboratorios en superficie, subterráneos o submarinos), plataformas espaciales (satélites, globos sonda, estaciones espaciales) o centrales nucleares. Los dispositivos experimentales u observacionales utilizarán sondas fabricadas artificialmente en aceleradores de partículas o centrales nucleares (caso de los neutrinos) o de origen cósmico. La complementariedad de todas estas iniciativas (el llamado multi-messenger approach ) parece ser la estrategia óptima para responder a las muy difíciles cuestiones planteadas. DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRINO Figura 5. Espectro de la desintegración β del 210 Bi El descubrimiento realizado en 1896 por H. Becquerel, M. Curie y P. Curie (PNF en 1903) del fenómeno de la radioactividad espontánea o natural emitida por sustancias fosforescentes (láminas cristalinas de sulfatos de potasio y uranio) propició una frenética actividad en busca de nuevas sustancias radioactivas y nuevas formas de radiación. En 1898, E. Rutherford, Premio Nobel de Química en 1908, obtuvo evidencia experimental acerca de la existencia de las componentes α y β en la radiación espontánea del uranio. Posteriormente, en 1911, E. Rutherford descubriría la estructura nuclear del átomo estudiando la difusión de las partículas α y β en blancos de materia. En el estudio de la radiación β, la energía cinética del electrón emitido debía tener un valor fijo, dentro de los errores experimentales, como por razonamientos cinemáticos se espera en una desintegración a dos cuerpos. El espectro observado, véase por ejemplo en la Figura 5 el caso del 210 Bi estudiado por J. Chadwick, PNF en 1935 por el descubrimiento del neutrón en 1932, es continuo, lo que sugiere la presencia de una partícula neutra penetrante. En ausencia de una explicación convincente de la anomalía en la desintegración β, N. Bohr (PNF en 1922) sugirió la posibilidad de abandonar el principio de conservación de la energía. Esta solución radical era, en palabras de Bohr, un acto desesperado que W. Pauli (PNF en 1945), Figura 6, se negó a aceptar, proponiendo en su lugar la existencia de una partícula neutra que acompañaría al electrón producido en el proceso de desintegración β [26]. En 1933, E. Fermi (PNF en 1938), Figura 7, bautizó esta inobservada partícula neutrino ( el pequeño neutro ), formulando poco después la primera teoría de campos para la desintegración β y realizando una primera estimación de la masa del neutrino [27]. En 1934, H. Bethe y R. Peierls calcularon la sección eficaz neutrino-núcleo a

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8 292 Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; 104 Figura 10. M. Schwartz ( ), J. Steinberger (1921) y L. M. Lederman (1922) sería suficiente para producir un número suficiente de neutrinos a partir de los cuales establecer sin ambigüedad las dos categorías sugeridas. En 1959, M. Schwartz [35], persuadido del interés del estudio de las interacciones débiles a alta energía y convencido de la posibilidad de que en los nuevos aceleradores de partículas de alta energía (en concreto el Alternating Gradient Synchrotron (AGS) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, cuya entrada en funcionamiento era inminente) se producirían muestras importantes de neutrinos procedentes de las desintegraciones de piones (partículas abundantemente producidas en las colisiones de protones acelerados en el AGS con blancos fijos), propuso un experimento conceptualmente sencillo. M. Schwartz diseñó un sistema de detección que, en primicia, utilizaba cámaras de chispa de grandes dimensiones para reconstruir coordenadas de las trayectorias de muones producidos en las colisiones de neutrinos con la materia del detector. La conclusión de las medidas realizadas es que el neutrino producido en la desintegración del pión en asociación con un muón es diferente al neutrino producido en los procesos de desintegración β en asociación con un electrón [36]. Por este importante hallazgo, M. Schwartz, J Steinberger y L. Lederman recibieron en 1988 el Premio Nobel de Física, Figura 10. Hasta el año 2000 no se obtendría evidencia de la existencia del neutrino (v τ ), asociado al leptón tau (τ), predicho por el Modelo Estándar de Física de Partículas. La observación directa tuvo lugar en el experimento DONUT (Direct Observation of the NU Tau) realizado en Fermilab [37]. En este experimento Figura 11. Flujos de neutrinos solares en función de la energía

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12 296 Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; 104 Figura 16. Matriz de Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata (PMNS) Figura 17. Fuentes de neutrinos Aunque, por razones de espacio, en esta sección nos hemos concentrado en solamente algunos experimentos sobre neutrinos solares, conviene señalar que la actividad experimental en el área de neutrinos es muy considerable, con numerosos experimentos en el sector de los neutrinos solares (por ejemplo, en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en Italia), atmosféricos (por ejemplo, Super-Kamiokande que proporcionó en 1998 la primera evidencia inapelable de oscilaciones de neutrinos), producidos en reactores nucleares (por ejemplo, KamLAND, Double Chooz, Reno, Daya Bay) y en aceleradores de partículas (K2K y T2K en Japón, OPERA e ICARUS en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, MINOS, MiniBooNE, NOVA en Estados Unidos) etc. En las próximas dos secciones se presenta una recapitulación muy resumida del conocimiento / desconocimiento de las propiedades de los neutrinos. En las referencias [47]-[48] aparece una extensa relación bibliográfica relacionada con los aspectos experimentales y en el artículo de revisión en la referencia [41] se puede consultar una discusión fenomenológica de algunos de los temas aquí esbozados. Figura 18. Energía de los neutrinos e intervalos cubiertos por programas experimentales QUÉ CONOCEMOS ACERCA DE LOS NEUTRINOS? Como resultado de décadas de intensa actividad experimental y teórica se conocen razonablemente bien las fuentes y los mecanismos de producción de neutrinos, las técnicas para su observación o detección experimental y los procedimientos y marco apropiado para su estudio. En las Figura 17, 18 y 19 se enumeran Figura 19. Flujos energéticos de neutrinos

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24 308 Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; 104 descifrar algunas cuestiones absolutamente trascendentes a la vez que fascinantes. AGRADECIMIENTOS El autor de este trabajo quiere agradecer a las Dras. Inés Gil Botella, María Isabel Josa Mutuberria y a Carlos Díaz Ginzo, del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT, la lectura cuidadosa del texto, así como numerosas sugerencias, y la inestimable ayuda en la preparación de las figuras. REFERENCIAS 1. Steven Weinberg, Cosmology, Oxford University Press, John F. Hawley & Katherine A. Holcomb, Foundations of Modern Cosmology, Oxford University Press, Leonard Susskind, The Cosmic Landscape, Little, Brown and Company, Lisa Randall, Warped Passages, Harper Perennial, Brian Green, The Elegant Universe, Vintage Books, Brian Green, The Fabric of the Cosmos, Vintage Books, Brian Green, The Hidden Reality, Vintage Books, Iain Nicolson, Dark Side of the Universe, The John Hopkins Press, Evalyn Gates, Einstein s Telescope, W. W. Norton & Company, Robert Cahn & Gerson Goldhaber, The Experimental Foundations of Particle Physics, Cambridge University Press, Alessandro Bettini, Introduction to Elementary Particle Physics, Cambridge University Press, Martinus Veltman, Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics, World Scientific, John F. Donghue, Eugene Golowich & Barry R. Holstein, Dynamics of the Standard Model, Michel Cribier, Michel Spiro & Daniel Vignaud, La lumière des neutrinos, Seuil, Frank Close, Neutrino, Oxford University Press, Milla Baldo Ceolin, Thirteenth International Workshop on Neutrino Telescopes, Venezia, F. Englert, R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) P. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132, Phys. Lett. 13 (1964) G. S. Guralnik, C. R. Hagen, T. W. B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) Gian Francesco Giudice, A Zeptospace Odyssey, Oxford University Press, Lyndon Evans, The Large Hadron Collider: a Marvel of Technology, EPFL Press, Harry Nussbaumer & Lydia Bieri, Discovering the Expanding Universe, Cambridge University Press, ASPERA Road Map, Report to the Astroparticle Physics (ApP): A European Roadmap Workshop, Paris, OECD Global Science Forum, Report of the Working Group on Astroparticle Physics, US National Academy of Sciences, Connecting Quarks with the Cosmos, National Research Council, W. Pauli, Open Letter to Radioactive Persons, Physics Today 31 (1978) E. Fermi, Z. Phys. 88 (1934) 161; Nuovo Cim. 11(1934) B. Pontecorvo, Chalk River Laboratory Report PD- 205 (1946), Reprint en Neutrino Astrophysics, John Bahcall, Cambridge University Press, Neutrino 92, A. Morales, Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 31 (1993) 30. F. Reines, C. L. Cowan, Phys. Rev. 92 (1953) F. Reines, C. L. Cowan, Nature 178 (1956) E. P. Hincks, B. Pontecorvo, Phys. Rev. 73 (1948) E. P. Hincks, B. Pontecorvo, Phys. Rev. 75 (1949) B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 37 (1959) M. Schwartz, Phys. Rev. Lett. 4 (1960) G. T. Danby et al., Phys. Rev. Lett. 9 (1962) K. Kodama et al., Phys. Lett. B, 504, 218 (2001) 38. J. Bahcall, Phys. Rev. Lett. 12 (1964) R. Davis, Phys. Rev. Lett., 12 (1964) R. Davis, Umschau 5 (1969) Review of Particle Physics, Particle Data Group, Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics, Vol 37, No 7A, (2010) 42. Y. Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 77 (1996) C. J. Virtue et al., Nuclear Phys. B87,183 (1999) 44. B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 34 (1958) Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata, Progr. Theor. Phys.Phys. 28, 870 (1962) 46 B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 53 (1967) I. Gil-Botella, Proceedings of the XXXVIII Internacional Meeting on Fundamental Physics, La Palma, February 1-5, 2010

25 Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; I. Gil-Botella, Proceedings of the 6 th CERN-Latin- American School of High Energy Physics, Brazil, 23 March-5 April M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar, Phys. Rev. 109 (1958) M. Gell-Mann, P. Ramond, R. Slnsky, Supergravity, North Holland, T. Yanagida, Progr. Theor. Phys. 64 (1980) E. Majorana, Nuevo Cim. 14 (1937) Roger Cashmore, Luciano Maiani, Jean-Pierre Revol, Prestigious Discoveries at CERN, H. Schopper, LEP: The Lord of the Collider Rings at CERN , Springer, C. Athanasspoulos et al., Phys. Rev. Lett. 75 (1995) A. A. Aguilar-Arevalo et al., Nucl. Instr. Meth. A599 (2009) K. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 107, (2011) 58. Y. Abe et al., arxiv: hep-ex/ v1 59. N. Cabibbo, Phys. Rev. Lett. 10 (1963) M. Kobayashi, T. Maskawa, Ptogr. Theor. Phys. 49 (1973) H. V. Klapdor-Kleingrothaus, Phys. Lett. B578 (2004) A. E. Aalseth et al., Phys. Rev. D, Vol 70, (2004) 63. S. Fukuda et al., Nucl. Instr. Meth. A501 (2003) H. O. Bock et al., Nucl. Instr. Meth. A584 (2008) F. Ardellier et al., arxiv: hep-ex/ R. Acquafredda et al., JINST 4 (2009) P C. Rubbia et al., JINST 6 (2011) P N. Agafonova et al., Phys. Lett. B 691 (2010) T. Adam et al., Preprint submitted to the Journal of High Energy Physcis ( ) 70. Y. Itow et al., arxiv: hep-ex/ K. Anderson et al., FERMILAB-DESIGN (1998) 72. D. G. Michaelet al., Nucl. Instr. Meth. A596, 190 (2008) 73. P. Adamson et al., arxiv: hep-ex/ v1 74. D. Ayres et al., arxiv: hep-ex/ v1 75. Physics at a future Neutrino Factory and super-beam facility, A. Bandyopadhyay et al., arxiv: hepex/