VIII. EL NEUTRINO: PAULI, FERMI, REINES Y COWAN
LA IMAGEN simplista de un núcleo compuesto de neutrones y protones
unidos por una gran fuerza de atracción dejaba sin explicar una fenomenología
bien conocida: el decaimiento b . Como se
ha visto, algunos núcleos son capaces de emitir electrones y positrones. La
pregunta es: Si éstos no existían previamente dentro del núcleo, ¿cómo se producen
las partículas? A finales de la década de 1920, surgió el modelo que explicó
esta fenomenología postulando la existencia de una nueva fuerza nuclear, denominada
débil porque su magnitud relativa era pequeña frente a las otras relevantes
en el núcleo. Bajo la acción de la fuerza débil, el núcleo puede transformar
neutrones en protones, y viceversa, emitiendo electrones o positrones. El único
problema del modelo era que, para explicar las observaciones, requería de la
existencia de una nueva partícula, el neutrino.
Durante mucho tiempo sólo el éxito de esa teoría apoyó la existencia del neutrino, pero tuvieron que pasar veinticinco años antes de su confirmación 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 sí se sabe con certeza que es muy pequeña, o que incluso puede ser cero.
Como se vio antes, en 1898 Rutherford clasificó los modos de decaimiento de los elementos radiactivos de acuerdo con su penetrabilidad, en rayos a (menos penetrantes) y b (más penetrantes). Posteriormente Villard detectó la presencia de rayos aun más penetrantes que, por consistencia, denominó 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 energía y que los g son radiación electromagnética, también de gran energía.
Una incógnita que pronto se planteó fue la forma del espectro de energía de estas radiaciones. En 1904 William Henry Bragg, ex alumno de Thomson que por esas fechas trabajaba en Adeline, Australia, midió la energía de los a a través de su penetrabilidad en diferentes medios. Un año después, en un trabajo publicado con su ayudante Richard Daniel Kleeman, Bragg demostró que en el espectro de las partículas a emitidas por un elemento dado aparecían grupos (líneas) de energías bien definidas que eran características de cada elemento radiactivo. Esto revelaba que no sólo los núcleos de un elemento eran idénticos, sino que al desintegrarse emitían a de la misma velocidad. Bragg y su hijo, William Lawrence, recibieron el Premio Nobel en 1915 por su análisis de estructuras cristalinas en el que utilizaban rayos X, tema que también fue de su interés y por el que son más conocidos.
La siguiente incógnita 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 más complicado ya que
los b ,
por su masa tan reducida, al interactuar con la materia son dispersados
rápidamente y resulta difícil establecer una relación entre energía 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 método para
deducir su espectro. En 1910 Hahn intentó una nueva técnica en que utilizaba
un campo magnético, para separar la energía de los b
, y una placa fotográfica. Como este método mostrara líneas en la
imagen, fue inicialmente tomado como la anhelada confirmación de que los b
, igual que los a , eran emitidos
con energías fijas, características de cada elemento. Sin embargo, en 1913,
James Chadwick, quien posteriormente descubriría el neutrón, sustituyó la placa
fotográfica por un detector eléctrico y demostró que el espectro de los b
es más bien un continuo al que se superponen algunos grupos de menor
importancia.
Poco después de este trabajo, Chadwick viajó a Berlín para pasar una temporada
y trabajar con Geiger, pero lo sorprendió la primera Guerra Mundial y fue tomado
prisionero y enviado a un campo de concentración. Ahí conoció a Charles Drummond
Ellis, militar inglés, quien le ayudó en algunos experimentos llevados a cabo
durante el cautiverio. Contagiado con el entusiasmo de Chadwik, Ellis decidió
dedicarse a la física. Al fin de la guerra se fue a Cambridge a trabajar con
Rutherford. En su primera publicación, Ellis demostró que las líneas superpuestas
al espectro continuo de los b se debían
a electrones arrancados al átomo tras absorber la energía de un rayo g
. En 1925 publicó un trabajo junto con William Alfred Wooster, en
el que, por un método diferente, llegaron a demostrar que el espectro de los
b es un continuo (véase figura 7).
Figura 7. Espectro del decaimiento b . En
una transición débil, la energía queda repartida arbitrariamente entre el electrón
y el antineutrino. Por esta razón, a pesar de tratarse del decaimiento de un
estado cuántico con energía definida (Eo), en el espectro de las b
's no se forman grupos sino un continuo que se extiende hasta la
energía máxima.
Este resultado llevaba a conclusiones contradictorias con respecto a la imagen
que se tenía de los núcleos y de su decaimiento. Si todos los núcleos son idénticos,
antes y después del decaimiento, ¿a qué se debe que la energía de los b
que emiten no sea la misma? En 1929, Bohr interpretó este fenómeno
como evidencia de que en el núcleo ñno se conserva la energía! Un año después,
Pauli propuso una interpretación alterna, en la que suponía la existencia, en
el núcleo, de una partícula neutra (que originalmente denominó neutrón)
de masa pequeña que era emitida al mismo tiempo que el b
, de manera que la energía del decaimiento quedaba repartida en forma
arbitraria entre ellas. Cabe recordar que por esa fecha el núcleo era considerado
como un agregado de protones y electrones. En este sentido, Pauli propuso que
si su neutrón tuviese un espín idéntico al del protón y el electrón, se resolvería
simultáneamente el dilema del nitrógeno 14 (véase capítulo VI)10*
En 1933 Enrico Fermi desarrolló una teoría sobre el decaimiento b
en la que incorpora la partícula de Pauli, a la que llamó neutrino, que
es el equivalente italiano a neutroncito. Según Fermi, cuando un neutrón
se transforma en un protón, lo hace emitiendo un electrón y un neutrino11*
Estas partículas son creadas en el momento del decaimiento, en el mismo sentido
que el fotón se crea en una transición electromagnética. En este caso se trataría
de una transición inducida por una nueva fuerza a la que, por su pequeña magnitud,
se le conoce como débil. La predicción de Fermi para el espectro de
las b permitió deducir que la masa
del neutrino debería ser muy pequeña. El neutrino, por carecer de carga eléctrica
y poseer una masa despreciable, sólo es sensible a la fuerza débil, por lo que
su probabilidad de interactuar con la materia es verdaderamente baja. Esto dificulta
su detección, 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 sólido como el de la conservación de la energía,
los físicos aprendieron a vivir con un neutrino, a la vez misterioso y necesario.
Una manera de detectar neutrinos sería un proceso inverso al del decaimiento
b , en el que un neutrino y un electrón convergen
simultáneamente sobre un protón para convertirlo en un neutrón. Este encuentro
debe ser realmente raro; sin embargo, otro proceso equivalente sería aquel en
el que un neutrino y un protón interaccionaran para producir un neutrón y un
antielectrón (positrón).12*
Para poder observar este proceso es necesario un flujo enorme de neutrinos que
compense la baja probabilidad de la interacción. Tal condición sólo se presentó
con la invención de los reactores nucleares, de los que emergen grandes cantidades
de neutrinos. A principios de la década de 1950, Frederick Reines y Clyde Lorrain
Cowan iniciaron el diseño de un detector capaz de registrar un evento como el
descrito.
El experimento de Reines y Cowan debía contar con un gran volumen de algún compuesto químico rico en hidrógeno para aumentar las probabilidades de que el neutrino interactuase con un protón del medio. La interacción que se buscaba dejaba como residuos un positrón y un neutrón, partículas que serían detectadas por métodos indirectos. El positrón, a poco de ser creado, se topa con un electrón del medio para aniquilarse produciendo dos rayos g , cuya energía es equivalente a la de la masa del electrón. La detección del neutrón requiere añadir al líquido algún material que sea eficiente para absorber en su núcleo neutrones, produciéndose una reacción nuclear en la que se emite un rayo g característico. 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 energía de los g que absorben en destellos de luz visible a la que, además, son transparentes. La intensidad de cada destello es proporcional a la energía del rayo g absorbido. De esta manera, con detectores de luz colocados en las paredes del contenedor del líquido 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 sólo luego de ciertas mejoras,
en 1956, Reines y Cowen enviaron un telegrama a Pauli anunciándole la primera
comprobación experimental de la existencia del neutrino. La historia del neutrino
resultó demasiado larga para Fermi, quien había muerto dos años antes.
Por su modo de interactuar con la materia, los rayos a y g , productos del decaimiento radiactivo, se agrupan en energías muy definidas, lo que permitió apreciar en forma inmediata la naturaleza cuántica de las transiciones correspondientes. Por el contrario, los rayos b (electrones) emitidos por el núcleo no mostraban esta característica (sección VIII.2). En 1930, Pauli dio una interpretación a este fenómeno que fue posteriormente desarrollada por Fermi (sección VIII.3). El modelo sugería que en el decaimiento b , además del electrón, se emitía simultáneamente otra partícula, neutra y de masa muy pequeña, que compartiría la energía del decaimiento. De esta forma se "borraba" la estructura de grupos del espectro, y se observaba solo el continuo. El neutrino, como se le denominó por ser pequeño y neutro, es una partícula muy difícil de detectar, al punto que pasó un cuarto de siglo antes de que Reines y Cowan la descubrieran experimentalmente (sección VIII.4). A este neutrino, asociado sólo al decaimiento b , se le conoce ahora como neutrino electrónico, para diferenciarlo de otros cuya historia se reseñará después (véase capítulo X).
