Paul Sparks
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Me encanta un buen misterio, si resulta que lo hizo el mayordomo, o si fue el coronel Mustard en la biblioteca con un candelabro..
Pero amo los misterios científicos aún más.
Recientemente, los científicos que investigan en el Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, anunciaron una medición que es un verdadero enigma. Se trata de una partícula subatómica llamada neutrino, que es el fantasma del microcosmos, capaz de atravesar la Tierra sin interactuar. Y eso es ANTES de que comencemos a hablar sobre las cosas raras.
La medición reciente, realizada por una colaboración de científicos llamada MiniBooNE, podría presagiar el posible descubrimiento de un nuevo tipo de neutrino que posiblemente podría ser la fuente de materia oscura, uno de los enigmas más apremiantes de la astronomía moderna. Pero para entender cómo todo encaja, necesitas conocer la historia de los neutrinos, que es una historia fascinante con giros y vueltas que harían girar la cabeza a Agatha Christie. [Los 18 mayores misterios sin resolver de la física]
El físico austriaco Wolfgang Pauli propuso por primera vez la existencia de neutrinos en 1930. Ahora sabemos que los neutrinos interactúan solo a través de lo que se llama sin imaginación la "fuerza débil", que es la más débil de las fuerzas que tiene algún impacto en distancias que son más pequeñas que los átomos. Los neutrinos se crean en reacciones nucleares y en aceleradores de partículas..
En 1956, un equipo de físicos dirigido por los estadounidenses Clyde Cowan y Frederick Reines observó las partículas fantasmales por primera vez. Por su descubrimiento, Reines compartió el Premio Nobel de Física de 1995. (Cowan murió antes de que se concediera el premio).
A lo largo de las décadas, quedó claro que había tres tipos diferentes de neutrinos, ahora llamados sabores. Cada sabor de neutrino es distinto, como el helado napolitano de vainilla, fresa y chocolate de tu infancia. Los sabores reales de los neutrinos provienen de su asociación con otras partículas subatómicas. Está el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau, que están vinculados al electrón, al muón y al tau, respectivamente. El electrón es la partícula familiar del interior de los átomos, y el muón y tau son los primos más regordetes e inestables del electrón..
Cada sabor de neutrino es distinto y nunca los dos (o tres en este caso) se encontrarán. O eso parecía.
En las décadas de 1960 y 1970, surgió un misterio ... un enigma de neutrinos, por así decirlo. Los investigadores estadounidenses Raymond Davis y John Bahcall intentaron calcular y medir la tasa de neutrinos (específicamente neutrinos electrónicos) producidos en el reactor nuclear más grande que existe: el sol. Cuando se compararon la predicción y la medición, no estuvieron de acuerdo. El experimentador Davis encontró solo alrededor de un tercio de los neutrinos electrónicos que predijo el teórico Bahcall.
Ese experimento en particular fue asombroso. Davis usó un recipiente del tamaño de una piscina olímpica lleno de líquido de limpieza en seco estándar para detectar los neutrinos. La idea era que cuando los neutrinos del sol golpearan los átomos de cloro en el líquido de limpieza en seco, esos átomos se convertirían en argón. Davis esperaría un par de semanas y luego intentaría extraer el argón. Esperaba algo así como 10 átomos de argón, pero encontró solo tres. Sí, leíste bien ... solo tres átomos.
Además de la dificultad experimental, el cálculo que realizó Bahcall fue desafiante y extremadamente sensible a la temperatura central del sol. Un pequeño, minúsculo cambio en la temperatura del sol cambió la predicción de la cantidad de neutrinos que deberían producirse..
Otros experimentos confirmaron la discrepancia que observaron Bahcall y Davis, pero dada la dificultad de lo que intentaron hacer, estaba bastante seguro de que uno de ellos había cometido un error. Tanto el cálculo como la medición fueron increíblemente difíciles de realizar. Pero estaba equivocado.
Otra discrepancia desconcertó a los investigadores. Los neutrinos se producen en la atmósfera de la Tierra cuando los rayos cósmicos del espacio exterior golpean el aire que todos respiramos. Los científicos saben con gran confianza que cuando esto sucede, los neutrinos de muones y electrones se producen en una proporción de 2 a 1. Sin embargo, cuando se midieron estos neutrinos, los neutrinos de muones y electrones se encontraron en una proporción de 1 a 1. Una vez más, los neutrinos confundieron a los físicos.
El misterio de los neutrinos del sol y de los rayos cósmicos del espacio se resolvió en 1998, cuando investigadores en Japón utilizaron un enorme tanque subterráneo de 50.000 toneladas de agua para estudiar la proporción de neutrinos de muones y electrones creados en la atmósfera a 12 millas sobre el tanque. , en comparación con la misma proporción creada en el otro lado del planeta, o aproximadamente a 13.000 kilómetros de distancia. Al emplear este inteligente enfoque, descubrieron que los neutrinos cambiaban su identidad a medida que viajaban. Por ejemplo, en el enigma de Davis-Bahcall, los neutrinos electrónicos del sol estaban cambiando a los otros dos sabores. [Imágenes: Dentro de los mejores laboratorios de física del mundo]
Este fenómeno de neutrinos que cambian de sabor, al igual que la vainilla se convierte en fresa o chocolate, se llama oscilación de neutrinos. Esto se debe a que los neutrinos no solo cambian su identidad y se detienen. En cambio, si se les da suficiente tiempo, los tres tipos de neutrinos intercambian constantemente sus identidades una y otra vez. La explicación de la oscilación de neutrinos fue confirmada y aclarada en 2001 por un experimento realizado en Sudbury, Ontario..
Si ha encontrado esta historia vertiginosa, recién estamos comenzando. A lo largo de los años, los neutrinos han generado más sorpresas que una telenovela durante Sweeps Week.
Con el fenómeno de la oscilación de neutrinos establecido, los científicos podrían estudiarlo utilizando aceleradores de partículas. Podrían hacer haces de neutrinos y caracterizar la rapidez con la que se transforman de un sabor a otro. De hecho, existe toda una industria de oscilación de neutrinos, con aceleradores de todo el mundo que estudian el fenómeno. El laboratorio insignia para estudios de neutrinos es mi propio Fermilab.
Un cuarto sabor?
Destacó un estudio realizado en 2001 en el laboratorio de Los Alamos por una colaboración denominada LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector). Su medida no encajaba en la imagen aceptada de tres sabores diferentes de neutrinos. Para que sus resultados tuvieran sentido, necesitaban formular la hipótesis de un cuarto tipo de neutrino. Y este no era un tipo de neutrino ordinario. Se llama "neutrino estéril", lo que significa que, a diferencia de los neutrinos ordinarios, no sintió la fuerza débil. Pero participó en la oscilación de neutrinos ... la transformación de los sabores de neutrinos. Y probablemente era pesado, lo que significa que era un candidato ideal para la materia oscura..
Así que sería una buena observación, pero muchos otros experimentos con neutrinos no estuvieron de acuerdo con ellos. De hecho, el resultado de LSND fue un valor atípico, tan peculiar que generalmente no se usaba en los metanálisis de la física de neutrinos..
Y ahora llegamos a la medición reciente del experimento MiniBooNE en Fermilab. El nombre proviene de "BOOster Neutrino Experiment". Utiliza uno de los aceleradores de Fermilab llamado Booster para producir neutrinos. los “Mini” proviene del hecho de que cuando se construyó, se previó un experimento de seguimiento más amplio.
Los científicos de MiniBooNE encontraron que sus datos realmente respaldaban la medición LSND y, además, si combinaban sus datos con los datos LSND, la fuerza estadística de la medición es lo suficientemente fuerte como para afirmar un descubrimiento ... posiblemente de neutrinos estériles..
Pero luego, está el hecho de que muchos otros experimentos no concuerdan definitivamente con el experimento LSND (y ahora MiniBooNE). Entonces, ¿qué pasa con eso??
Bueno, esa, como dicen, es una buena pregunta. Podría ser que los investigadores de LSND y MiniBooNE simplemente encontraron algo que los otros experimentos pasaron por alto. O podría ser que LSND y MiniBooNE hicieran un descubrimiento falso. O podría ser que estos dos aparatos experimentales en particular sean sensibles de una manera que los otros no lo son. Un parámetro importante es que la distancia entre el lugar donde se crearon los neutrinos y el lugar donde se detectaron fue relativamente corta: solo unos pocos cientos de metros, o la longitud de los aparatos de varios campos de fútbol. Los neutrinos tardan en oscilar y, si se mueven, esto se traduce en distancia. Muchos experimentos de oscilaciones de neutrinos tienen detectores ubicados a unos pocos o muchos cientos de millas de distancia. Tal vez la oscilación importante se produzca rápidamente, por lo que un detector cercano es crucial.
Para complicar el problema, las colaboraciones LSND y MiniBooNE, a pesar de que están separadas por más de una década, involucraron a algunas de las mismas personas. Entonces, sigue siendo posible que estén repitiendo el mismo error. O tal vez exhibiendo el mismo brillo. Es dificil estar seguro.
Entonces, ¿cómo resolvemos esto? ¿Cómo averiguamos quién tiene razón? Bueno, esto es ciencia y, en ciencia, la medición y la replicación ganan el argumento..
Y esta es una buena noticia. Dado que Fermilab ha optado por desarrollar su capacidad para estudiar neutrinos, no uno, sino tres experimentos de neutrinos diferentes están operando o en construcción, con distancias cortas entre el punto de creación y detección de neutrinos. Uno se llama MicroBooNE (una versión más pequeña de MiniBooNE y con diferente tecnología), el otro es ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), y el tercero es SBN (Short Baseline Neutrino). Todos estos experimentos son muy superiores a MiniBooNE y LSND en términos de capacidades técnicas, por lo que los investigadores esperan que en el plazo de un par de años, hagan declaraciones definitivas sobre el tema de los neutrinos estériles..
Entonces, ¿cuál será la respuesta final? No lo sé, eso es lo que pasa con la investigación ... estás completamente confundido hasta que lo sabes. Pero, lo que sí sé es que este es un misterio fascinante, con más sorpresas y trampas. Estoy bastante seguro de que incluso Sherlock Holmes estaría desconcertado.
Publicado originalmente el .
Don Lincoln contribuyó con este artículo a Live Science's Voces de expertos: opinión e información.