VIII. EL NEUTRINO: PAULI, FERMI, REINES Y COWAN
LA IMAGEN simplista de un n�cleo compuesto de neutrones y protones
unidos por una gran fuerza de atracci�n dejaba sin explicar una fenomenolog�a
bien conocida: el decaimiento b . Como se
ha visto, algunos n�cleos son capaces de emitir electrones y positrones. La
pregunta es: Si �stos no exist�an previamente dentro del n�cleo, �c�mo se producen
las part�culas? A finales de la d�cada de 1920, surgi� el modelo que explic�
esta fenomenolog�a postulando la existencia de una nueva fuerza nuclear, denominada
d�bil porque su magnitud relativa era peque�a frente a las otras relevantes
en el n�cleo. Bajo la acci�n de la fuerza d�bil, el n�cleo puede transformar
neutrones en protones, y viceversa, emitiendo electrones o positrones. El �nico
problema del modelo era que, para explicar las observaciones, requer�a de la
existencia de una nueva part�cula, el neutrino.
Durante mucho tiempo s�lo el �xito de esa teor�a apoy� la existencia del neutrino, pero tuvieron que pasar veinticinco a�os antes de su confirmaci�n experimental. A la fecha se conocen dos tipos diferenciados de neutrinos, y es muy probable que haya un tercero. Sin embargo, la masa de ninguno de ellos se ha medido, aunque s� se sabe con certeza que es muy peque�a, o que incluso puede ser cero.
Como se vio antes, en 1898 Rutherford clasific� los modos de decaimiento de los elementos radiactivos de acuerdo con su penetrabilidad, en rayos a (menos penetrantes) y b (m�s penetrantes). Posteriormente Villard detect� la presencia de rayos aun m�s penetrantes que, por consistencia, denomin� rayos g . Al inicio del presente siglo, las investigaciones revelaron que los rayos a son iones del elemento helio; que los b son electrones de alta energ�a y que los g son radiaci�n electromagn�tica, tambi�n de gran energ�a.
Una inc�gnita que pronto se plante� fue la forma del espectro de energ�a de estas radiaciones. En 1904 William Henry Bragg, ex alumno de Thomson que por esas fechas trabajaba en Adeline, Australia, midi� la energ�a de los a a trav�s de su penetrabilidad en diferentes medios. Un a�o despu�s, en un trabajo publicado con su ayudante Richard Daniel Kleeman, Bragg demostr� que en el espectro de las part�culas a emitidas por un elemento dado aparec�an grupos (l�neas) de energ�as bien definidas que eran caracter�sticas de cada elemento radiactivo. Esto revelaba que no s�lo los n�cleos de un elemento eran id�nticos, sino que al desintegrarse emit�an a de la misma velocidad. Bragg y su hijo, William Lawrence, recibieron el Premio Nobel en 1915 por su an�lisis de estructuras cristalinas en el que utilizaban rayos X, tema que tambi�n fue de su inter�s y por el que son m�s conocidos.
La siguiente inc�gnita en este tema fue el espectro de las radiaciones b
. En 1906, Otto Hahn y Lise Meitner empezaron a investigar el problema
con la idea de generalizar los resultados de Bragg al decaimiento
b . Sin embargo, en este caso el problema era m�s complicado ya que
los b ,
por su masa tan reducida, al interactuar con la materia son dispersados
r�pidamente y resulta dif�cil establecer una relaci�n entre energ�a y alcance
lineal. En 1909, Hahn y Meitner9![[Nota 9]](../imgs/mcommnt.gif)
publicaron sus primeros resultados, de los que se deduce que medir el alcance
de los b no era el mejor m�todo para
deducir su espectro. En 1910 Hahn intent� una nueva t�cnica en que utilizaba
un campo magn�tico, para separar la energ�a de los b
, y una placa fotogr�fica. Como este m�todo mostrara l�neas en la
imagen, fue inicialmente tomado como la anhelada confirmaci�n de que los b
, igual que los a , eran emitidos
con energ�as fijas, caracter�sticas de cada elemento. Sin embargo, en 1913,
James Chadwick, quien posteriormente descubrir�a el neutr�n, sustituy� la placa
fotogr�fica por un detector el�ctrico y demostr� que el espectro de los b
es m�s bien un continuo al que se superponen algunos grupos de menor
importancia.
Poco despu�s de este trabajo, Chadwick viaj� a Berl�n para pasar una temporada
y trabajar con Geiger, pero lo sorprendi� la primera Guerra Mundial y fue tomado
prisionero y enviado a un campo de concentraci�n. Ah� conoci� a Charles Drummond
Ellis, militar ingl�s, quien le ayud� en algunos experimentos llevados a cabo
durante el cautiverio. Contagiado con el entusiasmo de Chadwik, Ellis decidi�
dedicarse a la f�sica. Al fin de la guerra se fue a Cambridge a trabajar con
Rutherford. En su primera publicaci�n, Ellis demostr� que las l�neas superpuestas
al espectro continuo de los b se deb�an
a electrones arrancados al �tomo tras absorber la energ�a de un rayo g
. En 1925 public� un trabajo junto con William Alfred Wooster, en
el que, por un m�todo diferente, llegaron a demostrar que el espectro de los
b es un continuo (v�ase figura 7).
Figura 7. Espectro del decaimiento b . En
una transici�n d�bil, la energ�a queda repartida arbitrariamente entre el electr�n
y el antineutrino. Por esta raz�n, a pesar de tratarse del decaimiento de un
estado cu�ntico con energ�a definida (Eo), en el espectro de las b
's no se forman grupos sino un continuo que se extiende hasta la
energ�a m�xima.
Este resultado llevaba a conclusiones contradictorias con respecto a la imagen
que se ten�a de los n�cleos y de su decaimiento. Si todos los n�cleos son id�nticos,
antes y despu�s del decaimiento, �a qu� se debe que la energ�a de los b
que emiten no sea la misma? En 1929, Bohr interpret� este fen�meno
como evidencia de que en el n�cleo �no se conserva la energ�a! Un a�o despu�s,
Pauli propuso una interpretaci�n alterna, en la que supon�a la existencia, en
el n�cleo, de una part�cula neutra (que originalmente denomin� neutr�n)
de masa peque�a que era emitida al mismo tiempo que el b
, de manera que la energ�a del decaimiento quedaba repartida en forma
arbitraria entre ellas. Cabe recordar que por esa fecha el n�cleo era considerado
como un agregado de protones y electrones. En este sentido, Pauli propuso que
si su neutr�n tuviese un esp�n id�ntico al del prot�n y el electr�n, se resolver�a
simult�neamente el dilema del nitr�geno 14 (v�ase cap�tulo VI)10*
En 1933 Enrico Fermi desarroll� una teor�a sobre el decaimiento b
en la que incorpora la part�cula de Pauli, a la que llam� neutrino, que
es el equivalente italiano a neutroncito. Seg�n Fermi, cuando un neutr�n
se transforma en un prot�n, lo hace emitiendo un electr�n y un neutrino11*
Estas part�culas son creadas en el momento del decaimiento, en el mismo sentido
que el fot�n se crea en una transici�n electromagn�tica. En este caso se tratar�a
de una transici�n inducida por una nueva fuerza a la que, por su peque�a magnitud,
se le conoce como d�bil. La predicci�n de Fermi para el espectro de
las b permiti� deducir que la masa
del neutrino deber�a ser muy peque�a. El neutrino, por carecer de carga el�ctrica
y poseer una masa despreciable, s�lo es sensible a la fuerza d�bil, por lo que
su probabilidad de interactuar con la materia es verdaderamente baja. Esto dificulta
su detecci�n, al punto que tuvo que transcurrir mucho tiempo antes de que su
existencia pudiese ser confirmada experimentalmente. Sin embargo, ante la alternativa
de poner en duda un principio tan s�lido como el de la conservaci�n de la energ�a,
los f�sicos aprendieron a vivir con un neutrino, a la vez misterioso y necesario.
Una manera de detectar neutrinos ser�a un proceso inverso al del decaimiento
b , en el que un neutrino y un electr�n convergen
simult�neamente sobre un prot�n para convertirlo en un neutr�n. Este encuentro
debe ser realmente raro; sin embargo, otro proceso equivalente ser�a aquel en
el que un neutrino y un prot�n interaccionaran para producir un neutr�n y un
antielectr�n (positr�n).12*
Para poder observar este proceso es necesario un flujo enorme de neutrinos que
compense la baja probabilidad de la interacci�n. Tal condici�n s�lo se present�
con la invenci�n de los reactores nucleares, de los que emergen grandes cantidades
de neutrinos. A principios de la d�cada de 1950, Frederick Reines y Clyde Lorrain
Cowan iniciaron el dise�o de un detector capaz de registrar un evento como el
descrito.
El experimento de Reines y Cowan deb�a contar con un gran volumen de alg�n compuesto qu�mico rico en hidr�geno para aumentar las probabilidades de que el neutrino interactuase con un prot�n del medio. La interacci�n que se buscaba dejaba como residuos un positr�n y un neutr�n, part�culas que ser�an detectadas por m�todos indirectos. El positr�n, a poco de ser creado, se topa con un electr�n del medio para aniquilarse produciendo dos rayos g , cuya energ�a es equivalente a la de la masa del electr�n. La detecci�n del neutr�n requiere a�adir al l�quido alg�n material que sea eficiente para absorber en su n�cleo neutrones, produci�ndose una reacci�n nuclear en la que se emite un rayo g caracter�stico. El problema se reduce pues a detectar tres rayos g . Para observar este tipo de rayos se utilizan medios llamados centelleadores, que tienen la propiedad de transformar la energ�a de los g que absorben en destellos de luz visible a la que, adem�s, son transparentes. La intensidad de cada destello es proporcional a la energ�a del rayo g absorbido. De esta manera, con detectores de luz colocados en las paredes del contenedor del l�quido centelleador, se colecta la luz producida en cada evento y se analiza.
Un detector como el descrito fue colocado en la vecindad del reactor de Savannah
River, EUA, cuyo flujo de neutrones es de 1013 por cm2/seg.
Se comenzaron a registrar eventos desde 1953, pero s�lo luego de ciertas mejoras,
en 1956, Reines y Cowen enviaron un telegrama a Pauli anunci�ndole la primera
comprobaci�n experimental de la existencia del neutrino. La historia del neutrino
result� demasiado larga para Fermi, quien hab�a muerto dos a�os antes.
Por su modo de interactuar con la materia, los rayos a y g , productos del decaimiento radiactivo, se agrupan en energ�as muy definidas, lo que permiti� apreciar en forma inmediata la naturaleza cu�ntica de las transiciones correspondientes. Por el contrario, los rayos b (electrones) emitidos por el n�cleo no mostraban esta caracter�stica (secci�n VIII.2). En 1930, Pauli dio una interpretaci�n a este fen�meno que fue posteriormente desarrollada por Fermi (secci�n VIII.3). El modelo suger�a que en el decaimiento b , adem�s del electr�n, se emit�a simult�neamente otra part�cula, neutra y de masa muy peque�a, que compartir�a la energ�a del decaimiento. De esta forma se "borraba" la estructura de grupos del espectro, y se observaba solo el continuo. El neutrino, como se le denomin� por ser peque�o y neutro, es una part�cula muy dif�cil de detectar, al punto que pas� un cuarto de siglo antes de que Reines y Cowan la descubrieran experimentalmente (secci�n VIII.4). A este neutrino, asociado s�lo al decaimiento b , se le conoce ahora como neutrino electr�nico, para diferenciarlo de otros cuya historia se rese�ar� despu�s (v�ase cap�tulo X).
