Premi Nobel de física; Els misteris dels neutrins

El premi Nobel de física d’aquest any ha recaigut en descobriments relacionats amb una de les meves partícules preferides: els neutrins. Els neutrins es van proposar per fer encaixar unes dades experimentals a les que semblava que els faltava una petitíssima quantitat d’energia. Wolfgang Pauli va fer encaixar les coses postulant, l’any 1931, que potser existia una partícula subatòmica petitíssima (fins i tot des del punt de vista de la física quàntica), sense càrrega, sense massa i sense cap mena de interacció amb res que contenia l’energia que faltava. En aquell temps Pauli va dir “He fet una cosa terrible. He proposat una partícula que mai no podrà ser detectada”. I és que, des del punt de vista científic, una partícula indetectable és un bon problema. Com pots saber si existeix si no la pots detectar?

Però Pauli subestimava l’enginy humà i finalment es van poder detectar. Amb moltes dificultats ja que sí que interaccionen amb la matèria, però molt poc. Extremadament poc. Només un de cada milions de bilions de neutrins reacciona d’alguna manera. La sort és que a l’Univers hi ha neutrins a cabassos. El mateix Sol en genera una quantitat descomunal. Fins i tot el nostre cos en fabrica un bon grapat. Una petita part del potassi que tenim és radioactiu i al desintegrar-se genera neutrins. Uns neutrins que, com que no interactuen amb la matèria surten disparats camí dels límits de l’Univers.

Però entre els físics hi havia un dubte quasi existencial. La massa del neutrí era nul·la o només infinitesimalment petita? Patir per una cosa tant insignificant sembla exagerat, però recordem que hi ha neutrins a cabassos a l’Univers. Com que n’hi ha tantíssims, el fet que tinguin una petitíssima massa, per minúscula que sigui, farà que la seva suma total afecti l’estructura i el destí de l’Univers. De manera que, poca broma amb els neutrins.

Amb els neutrins hi havia un segon problema. Sabem quants neutrins genera el Sol a cada instant, però quan els mesuraven (amb moltes dificultats) resulta que els números no sortien. Concretament nomes trobaven un terç dels esperats. Per molt que afinessin les mesures, sortia un terç de deteccions. El segon problema amb els neutrins era trobar els dos terços que faltaven. Un problema amb la teoria? Amb els detectors? Amb el Sol?

L’inici de la solució va arribar des del Japo amb el Super-Kamiokande, un detector de neutrins situat a un quilòmetre de fondària i fet per 50.000 tones d’aigua ultra-pura. Al seu voltant, un grapat de detectors (que alguna vegada els van donar un ensurt) mesuraven un tipus especial de llum que es genera en les rares ocasions en que un neutrí topa amb el nucli o un electró d’una molècula d’aigua. El que detectava eren neutrins generats a l’atmosfera a partir d’unes partícules anomenades “mu”, però passava una cosa interessant. Els neutrins poden creuar la Terra sense ni adonar-se (ja que no interactuen amb res), de manera que el detector mesurava tant els que venien de dalt com els que havien creuat el planeta i arribaven des de baix. El problema era que d’aquests n’arribaven menys. I com més distància haguessin fet, menys neutrins arribaven.

L’altra peça que faltava va arribar amb un altre experiment. Per motius que ara no venen al cas, els neutrins es poden generar a partir d’electrons, però també d’altres dues partícules. Les partícules mu i les partícules tau. En un experiment fet al Canadà, aquest cop amb mil tones d’aigua pesant, podien detectar els neutrins totals provinents del Sol i també podien identificar els que anaven associats als electrons. Els números haurien de ser iguals ja que els que genera el Sol són neutrins d’electrons, però al detector van trobar que del total que arribaven, només una tercera part (de nou un terç) eren neutrins electrònics.

El que es va deduir que passava era que els neutrins van canviant la seva forma a mida que van fent camí. El Sol genera neutrins electrònics, pocs segons després de sortir, uns quants es transformen en neutrins muònics, i poc després en neutrins tau. El Super-Kamiokande només detectava un tipus, i per això sempre n’hi faltaven els altres dos terços.

La gràcia és que sabem que per poder modificar la seva forma, és necessari que tinguin massa. Tan petita com vulguis i encara no la coneixem amb exactitud; però no pot ser zero. Un problema ja que el model estàndard de la física no contempla que en tinguin. Però les dades sempre tenen més pes que les teories, de manera que caldrà adaptar-la.

En tota aquesta història, Takaaki Kajita va ser qui amb el Super-Kamiokande va descobrir el dèficit de neutrins i l’Arthur B. McDonald al Sudbury Neutrino Observatory va descobrir l’oscil·lació que ho explicava. En realitat van ser equips amb molta més gent, però ells dos van ser els caps visibles i els guardonats amb el premi Nobel per destapar característiques de la més esquiva de les partícules.

5 comentaris

  • Daniel Closa

    07/10/2015 10:28

    Pons. I espera! Que encara tenim tot el món de l’energia i matèria fosques per començar a descobrir. Si hi ha antineutrins foscos, ja seran la repera!

    Joan Codina. Tant se val el que facin. Els pobres del gran Sasso ja sempre seran recordats per un cable mal connectat.

  • Joan Codina

    07/10/2015 9:59

    En la majoria de casos quan un experimental es troba amb aquests problemes ha de recórrer al calaix de les idees teòriques esbojarrades.

    PS: La idea en aquest cas era que l’hamiltonià que permetés la barreja de massa i sabor!! La gràcia és que amb aquestes oscil·lacions i les seves freqüències es poden anar obtenint les diferències de massa. És el que feien al Gran Sasso abans de trobar neutrins tramposos.

    PPS: De les coses més surrealistes que he vist mai aquesta oscil·lació.

  • Pons

    07/10/2015 9:58

    Realment qui ha sigut que ha creat aquest univers amb partícules tan “especials” ha de ser un tio realment recargolat! I el que ens falta per saber…

  • Daniel Closa

    07/10/2015 8:49

    Els neutrins són un encant. Però mira que són rarets!

  • Carquinyol

    07/10/2015 8:17

    Això ja comença a semblar kafkià… detectar una partícula petitíssima que gairebé no reacciona amb res i que, a més, va mutant !! Coi, ja s’han ben guanyat el Nobel, ja !