Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 104, Nº. 2, pp 285 309, 2010XII Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

EL NEUTRINO CUMPLE 80 AÑOSMANUEL 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 queen 1930 W. Pauli propuso, en una “carta abierta a laspersonas radioactivas”, la existencia de una partículaneutra, el neutrino según la denominación propuestapor E. Fermi en 1933, emitida en la desintegraciónnuclear beta (β) y así solventar la aparente violación dela 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 anali-zando la emisión de partículas en el reactor nuclear deSavannah River. En 1962, en un experimento en elLaboratorio Nacional de Brookhaven dirigido por L.M. Lederman, M. Schwartz y J. Steinberger, se obser-varon reacciones de neutrinos de alta energía cuyoestudio puso de manifiesto la existencia de dos varie-dades de neutrinos. Hoy se sabe que existen tres neu-trinos ligeros asociados respectivamente al electrón,muón y leptón tau.

Durante décadas se asumió que los neutrinos eranpartículas de masa nula, siendo ésta una de las hipó-tesis de partida del Modelo Estándar de Partículas eInteracciones. Las discrepancias entre las medidas delflujo de neutrinos procedentes del Sol, realizadas en ladécada de los 60 por R. Davis y colaboradores, y laspredicciones del Modelo Estándar del Sol, desarro-llado por J. Bahcall y colaboradores, fueron confir-madas por experimentos posteriores realizados enJapón, Italia y Rusia. La explicación de este enigma esla existencia de un fenómeno de naturaleza cuántica,las oscilaciones de neutrinos, que implica que los neu-trinos cambian su naturaleza al moverse y tienenmasas distintas de cero.

En este trabajo se describirán algunos hitos impor-tantes en la fascinante historia de los evasivos neu-

trinos, su extraordinaria relevancia para entenderalgunas cuestiones de gran interés en Física yAstrofísica de Partículas Elementales y las estrategiasexperimentales para profundizar en el conocimiento desus propiedades.

INTRODUCCIÓN

Es innegable que en los últimos 100 años se haavanzado mucho en el conocimiento de lo infinita-mente grande y de lo infinitamente pequeño, pero afor-tunadamente queda mucho por conocer para rellenarlos huecos en el conocimiento de lo “ordinario” y delo “extraordinario”.

Figura 1. Esquema de la historia térmica del Universo

Algunos de los temas mencionados en esta breveintroducción (neutrinos, materia y energía oscura)forman parte del núcleo central de las investigacionesen Astrofísica de Partículas, una disciplina científicaen la frontera de la Física de Partículas Elementales, laAstrofísica Nuclear y la Cosmología. Enunciamos acontinuación las cuestiones prioritarias que establecela hoja de ruta de esta disciplina [23]-[25]:

1. ¿De qué está hecho el Universo? ¿Qué es lamateria oscura? ¿Qué es la energía oscura?

2. ¿Tiene el protón vida media finita o es infinita-mente estable?

3. ¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?¿Qué papel juegan en la evolución cósmica?

4. ¿Qué nos dicen los neutrinos acerca del interiordel Sol y de la Tierra, y acerca de las explosio-nes de supernovas?

5. ¿Cuál es el origen de los rayos cósmicos?¿Quéaspecto tiene el cielo a energías extremas?

6. ¿Qué nos van a enseñar las ondas gravitaciona-les acerca de los procesos cósmicos violentos yacerca de la gravedad?

El estudio de todas estas cuestiones requiere unavariadísima instrumentación, localizada en muydiversos laboratorios (laboratorios con aceleradores,observatorios astronómicos, laboratorios en superficie,subterráneos o submarinos), plataformas espaciales(satélites, globos sonda, estaciones espaciales) o cen-trales nucleares. Los dispositivos experimentales uobservacionales utilizarán sondas fabricadas artificial-mente en aceleradores de partículas o centralesnucleares (caso de los neutrinos) o de origen cósmico.La complementariedad de todas estas iniciativas (elllamado “multi-messenger approach”) parece ser laestrategia óptima para responder a las muy difícilescuestiones planteadas.

DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRINO

El descubrimiento realizado en 1896 por H.Becquerel, M. Curie y P. Curie (PNF en 1903) delfenómeno de la radioactividad espontánea o naturalemitida por sustancias fosforescentes (láminas crista-linas de sulfatos de potasio y uranio) propició una fre-

nética actividad en busca de nuevas sustancias radioac-tivas y nuevas formas de radiación.

En 1898, E. Rutherford, Premio Nobel de Químicaen 1908, obtuvo evidencia experimental acerca de laexistencia de las componentes α y β en la radiaciónespontánea del uranio. Posteriormente, en 1911, E.Rutherford descubriría la estructura nuclear del átomoestudiando la difusión de las partículas α y β enblancos de materia. En el estudio de la radiación β, laenergía cinética del electrón emitido debía tener unvalor fijo, dentro de los errores experimentales, comopor razonamientos cinemáticos se espera en una desin-tegración a dos cuerpos. El espectro observado, véasepor ejemplo en la Figura 5 el caso del 210Bi estudiadopor J. Chadwick, PNF en 1935 por el descubrimientodel neutrón en 1932, es continuo, lo que sugiere la pre-sencia de una partícula neutra penetrante.

En ausencia de una explicación convincente de laanomalía en la desintegración β, N. Bohr (PNF en1922) sugirió la posibilidad de abandonar el principiode conservación de la energía. Esta solución radicalera, en palabras de Bohr, “un acto desesperado” queW. Pauli (PNF en 1945), Figura 6, se negó a aceptar,proponiendo en su lugar la existencia de una partículaneutra que acompañaría al electrón producido en elproceso de desintegración β [26] . En 1933, E. Fermi(PNF en 1938), Figura 7, bautizó esta inobservadapartícula neutrino (“el pequeño neutro”), formulandopoco después la primera teoría de campos para la des-integración β y realizando una primera estimación dela masa del neutrino [27]. En 1934, H. Bethe y R.Peierls calcularon la sección eficaz neutrino-núcleo a

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Figura 5. Espectro de la desintegración β del 210Bi

sería suficiente para producir un número suficiente deneutrinos a partir de los cuales establecer sin ambi-güedad las dos categorías sugeridas.

En 1959, M. Schwartz [35], persuadido del interésdel estudio de las interacciones débiles a alta energía yconvencido de la posibilidad de que en los nuevos ace-leradores de partículas de alta energía (en concreto elAlternating Gradient Synchrotron (AGS) del

Laboratorio Nacional de Brookhaven, cuya entrada enfuncionamiento era inminente) se produciríanmuestras importantes de neutrinos procedentes de lasdesintegraciones de piones (partículas abundante-mente producidas en las colisiones de protones acele-rados en el AGS con blancos fijos), propuso un experi-mento conceptualmente sencillo. M. Schwartz diseñóun sistema de detección que, en primicia, utilizabacámaras de chispa de grandes dimensiones parareconstruir coordenadas de las trayectorias de muonesproducidos en las colisiones de neutrinos con lamateria del detector. La conclusión de las medidas rea-lizadas es que el neutrino producido en la desinte-gración del pión en asociación con un muón es dife-rente al neutrino producido en los procesos de desinte-gración β en asociación con un electrón [36]. Por esteimportante hallazgo, M. Schwartz, J Steinberger y L.Lederman recibieron en 1988 el Premio Nobel deFísica, Figura 10.

Hasta el año 2000 no se obtendría evidencia de laexistencia del neutrino (vτ), asociado al leptón tau (τ),predicho por el Modelo Estándar de Física dePartículas. La observación directa tuvo lugar en elexperimento DONUT (Direct Observation of the NUTau) realizado en Fermilab [37]. En este experimento

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Figura 10. M. Schwartz (1932-2006), J. Steinberger (1921) yL. M. Lederman (1922)

Figura 11. Flujos de neutrinos solares en función de la energía

Aunque, por razones de espacio, en esta secciónnos hemos concentrado en solamente algunos experi-mentos sobre neutrinos solares, conviene señalar quela actividad experimental en el área de neutrinos esmuy considerable, con numerosos experimentos en elsector de los neutrinos solares (por ejemplo, en elLaboratorio Nacional de Gran Sasso en Italia), atmos-féricos (por ejemplo, Super-Kamiokande que propor-cionó en 1998 la primera evidencia inapelable de osci-laciones de neutrinos), producidos en reactoresnucleares (por ejemplo, KamLAND, Double Chooz,Reno, Daya Bay) y en aceleradores de partículas (K2Ky T2K en Japón, OPERA e ICARUS en el LaboratorioNacional de Gran Sasso, MINOS, MiniBooNE, NOVAen Estados Unidos) etc. En las próximas dos seccionesse presenta una recapitulación muy resumida del cono-cimiento / desconocimiento de las propiedades de losneutrinos. En las referencias [47]-[48] aparece unaextensa relación bibliográfica relacionada con losaspectos experimentales y en el artículo de revisión enla referencia [41] se puede consultar una discusiónfenomenológica de algunos de los temas aquí esbo-zados.

¿QUÉ CONOCEMOS ACERCA DE LOSNEUTRINOS?

Como resultado de décadas de intensa actividadexperimental y teórica se conocen razonablementebien las fuentes y los mecanismos de producción deneutrinos, las técnicas para su observación o detecciónexperimental y los procedimientos y marco apropiadopara su estudio. En las Figura 17, 18 y 19 se enumeran

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Figura 16. Matriz de Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata(PMNS)

Figura 17. Fuentes de neutrinos

Figura 18. Energía de los neutrinos e intervalos cubiertos porprogramas experimentales

Figura 19. Flujos energéticos de neutrinos

descifrar algunas cuestiones absolutamente trascen-dentes a la vez que fascinantes.

AGRADECIMIENTOS

El autor de este trabajo quiere agradecer a las Dras.Inés Gil Botella, María Isabel Josa Mutuberria y aCarlos Díaz Ginzo, del Departamento de InvestigaciónBásica del CIEMAT, la lectura cuidadosa del texto, asícomo numerosas sugerencias, y la inestimable ayudaen la preparación de las figuras.

REFERENCIAS

1. Steven Weinberg, Cosmology, Oxford UniversityPress, 2008

2. John F. Hawley & Katherine A. Holcomb,Foundations of Modern Cosmology, OxfordUniversity Press, 1998

3. Leonard Susskind, The Cosmic Landscape, Little,Brown and Company, 2005

4. Lisa Randall, Warped Passages, Harper Perennial,2006

5. Brian Green, The Elegant Universe, Vintage Books,2000

6. Brian Green, The Fabric of the Cosmos, VintageBooks, 2004

7. Brian Green, The Hidden Reality, Vintage Books,2011

8. Iain Nicolson, Dark Side of the Universe, The JohnHopkins Press, 2007

9. Evalyn Gates, Einstein’s Telescope, W. W. Norton &Company, 2009

10. Robert Cahn & Gerson Goldhaber, The ExperimentalFoundations of Particle Physics, CambridgeUniversity Press, 2009

11. Alessandro Bettini, Introduction to ElementaryParticle Physics, Cambridge University Press, 2008

12. Martinus Veltman, Facts and Mysteries inElementary Particle Physics, World Scientific, 2003

13. John F. Donghue, Eugene Golowich & Barry R.Holstein, Dynamics of the Standard Model, 1992

14. Michel Cribier, Michel Spiro & Daniel Vignaud, Lalumière des neutrinos, Seuil, 1995

15. Frank Close, Neutrino, Oxford University Press,2010

16. Milla Baldo Ceolin, Thirteenth InternationalWorkshop on Neutrino Telescopes, Venezia, 2009

17. F. Englert, R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 32118. P. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132, Phys. Lett. 13

(1964) 56219. G. S. Guralnik, C. R. Hagen, T. W. B. Kibble, Phys.

Rev. Lett. 13 (1964) 58520. Gian Francesco Giudice, A Zeptospace Odyssey,

Oxford University Press, 201021. Lyndon Evans, The Large Hadron Collider: a

Marvel of Technology, EPFL Press, 200922. Harry Nussbaumer & Lydia Bieri, Discovering the

Expanding Universe, Cambridge University Press,2009

23. ASPERA Road Map, Report to the AstroparticlePhysics (ApP): A European Roadmap Workshop,Paris, 2011

24. OECD Global Science Forum, Report of the WorkingGroup on Astroparticle Physics, 2011

25. US National Academy of Sciences, ConnectingQuarks with the Cosmos, National Research Council,2002

26. W. Pauli, Open Letter to Radioactive Persons, 1930.Physics Today 31 (1978) 27

27. E. Fermi, Z. Phys. 88 (1934) 161; Nuovo Cim.11(1934) 1

28. B. Pontecorvo, Chalk River Laboratory Report PD-205 (1946), Reprint en Neutrino Astrophysics, JohnBahcall, Cambridge University Press, 1989

29. Neutrino 92, A. Morales, Nuclear Physics B (Proc.Suppl.) 31 (1993)

30. F. Reines, C. L. Cowan, Phys. Rev. 92 (1953) 83031. F. Reines, C. L. Cowan, Nature 178 (1956) 44632. E. P. Hincks, B. Pontecorvo, Phys. Rev. 73 (1948)

25733. E. P. Hincks, B. Pontecorvo, Phys. Rev. 75 (1949)

69834. B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 37 (1959) 175135. M. Schwartz, Phys. Rev. Lett. 4 (1960) 30636. G. T. Danby et al., Phys. Rev. Lett. 9 (1962) 3637. K. Kodama et al., Phys. Lett. B, 504, 218 (2001)38. J. Bahcall, Phys. Rev. Lett. 12 (1964) 30039. R. Davis, Phys. Rev. Lett., 12 (1964) 30340. R. Davis, Umschau 5 (1969) 15341. Review of Particle Physics, Particle Data Group,

Journal of Physics G, Nuclear and Particle Physics,Vol 37, No 7A, 075021 (2010)

42. Y. Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 168343. C. J. Virtue et al., Nuclear Phys. B87,183 (1999)44. B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 34 (1958) 24745. Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata, Progr. Theor.

Phys.Phys. 28, 870 (1962)46 B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 53 (1967) 17147. I. Gil-Botella, Proceedings of the XXXVIII

Internacional Meeting on Fundamental Physics, LaPalma, February 1-5, 2010

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; 104Manuel Aguilar Benítez de Lugo308

48. I. Gil-Botella, Proceedings of the 6th CERN-Latin-American School of High Energy Physics, Brazil, 23March-5 April 2011

49. M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar, Phys. Rev.109 (1958) 1015

50. M. Gell-Mann, P. Ramond, R. Slnsky, Supergravity,North Holland, 1979

51. T. Yanagida, Progr. Theor. Phys. 64 (1980) 110352. E. Majorana, Nuevo Cim. 14 (1937) 17153. Roger Cashmore, Luciano Maiani, Jean-Pierre

Revol, Prestigious Discoveries at CERN, 200354. H. Schopper, LEP: The Lord of the Collider Rings at

CERN 1980 2000, Springer, 200955. C. Athanasspoulos et al., Phys. Rev. Lett. 75 (1995)

265056. A. A. Aguilar-Arevalo et al., Nucl. Instr. Meth. A599

(2009) 2857. K. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 107,041801 (2011)58. Y. Abe et al., arXiv: hep-ex/1112.6353v159. N. Cabibbo, Phys. Rev. Lett. 10 (1963) 53160. M. Kobayashi, T. Maskawa, Ptogr. Theor. Phys. 49

(1973) 652

61. H. V. Klapdor-Kleingrothaus, Phys. Lett. B578(2004) 54

62. A. E. Aalseth et al., Phys. Rev. D, Vol 70, 078302(2004)

63. S. Fukuda et al., Nucl. Instr. Meth. A501 (2003) 41864. H. O. Bock et al., Nucl. Instr. Meth. A584 (2008) 9865. F. Ardellier et al., arXiv: hep-ex/060602566. R. Acquafredda et al., JINST 4 (2009) P0401867. C. Rubbia et al., JINST 6 (2011) P0701168. N. Agafonova et al., Phys. Lett. B 691 (2010) 13869. T. Adam et al., Preprint submitted to the Journal of

High Energy Physcis (17.11.2011)70. Y. Itow et al., arXiv: hep-ex/010601971. K. Anderson et al., FERMILAB-DESIGN-1998-01

(1998)72. D. G. Michaelet al., Nucl. Instr. Meth. A596, 190

(2008)73. P. Adamson et al., arXiv: hep-ex/011080015v174. D. Ayres et al., arXiv: hep-ex/0210005v175. Physics at a future Neutrino Factory and super-beam

facility, A. Bandyopadhyay et al., arXiv: hep-ex/0710.4947

Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2010; 104 309