Dossier Conèixer els neutrins: 3 Els neutrins solars

El neutrí es va postular l'any 1930 per resoldre un problema important de la física: la conservació de l'energia. La seva existència experimental no es va demostrar fins un quart de segle després. Des de llavors, el neutrí ha ocupat l'escenari amb els seus nombrosos enigmes, però la detecció i, per tant, la verificació de les prediccions, és especialment difícil. Això requereix detectors molt massius. El problema definitiu resolt és el de la massa dels neutrins: tenen massa o no? Veiem com va arribar la resposta.

L'experiència primer va confirmar el que els físics reclamaven des de fa més de trenta anys, el dèficit dels neutrins solars. El Sol ens envia un flux de 60.000 milions de neutrins cada segon a cada centímetre quadrat de la superfície de la Terra.

Clic per engrandir. Els neutrins solars es detecten mitjançant detectors grans com el Super-Kamiokande. Crèdit: NASA Goddard Space Flight Center , CC by 2.0

Del Sol a la Terra: el misteri del flux de neutrins

Aquests neutrins són de tipus electrònic quan es creen al centre del Sol. Tanmateix, tres experiments anteriors havien mesurat un flux clarament inferior al càlcul; entre la meitat i les dues terceres parts dels neutrins que s'esperava que arribin a la Terra semblaven haver desaparegut. S'havia proposat una hipòtesi teòrica per explicar l'anomalia entre el flux esperat de neutrins solars i les mesures deficitàries: els neutrins oscil·len, és a dir, poden canviar de tipus espontàniament durant la seva propagació.

Clic per engrandir. Interaccions de neutrins solars al Super-Kamiokande: el pic de la distribució reconstrueix en temps real la direcció del Sol en el moment de la detecció. Crèdit: François Vannucci

En aquest escenari, un neutrí electrònic produït al nucli del Sol esdevé de tipus muònic o tauic durant el seu recorregut entre el seu punt de producció i el punt de detecció situat a la Terra. Només era una hipòtesi, però semblava atractiu perquè només passava per als neutrins que tenien una massa zero.En aquest escenari, un neutrí electrònic produït al nucli del Sol esdevé de tipus muònic o tauic durant el seu recorregut entre el seu punt de producció i el punt de detecció situat a la Terra. Només era una hipòtesi, però semblava atractiu perquè només passava per als neutrins que tenien una massa zero. 

Però el sentit comú volia que els neutrins tinguessin massa, igual que les altres partícules de matèria. Ja en els primers temps del descobriment del neutrí, introduït el 1930 per explicar l'espectre de desintegracions β, les estimacions situen la seva massa en menys d'1/1.000 de la de l'electró.

Si hi havia una massa de neutrins, devia ser molt petita i el fenomen de les oscil·lacions, que només existeix entre neutrins massius, era perfectament adequat per donar un mètode molt precís capaç de mesurar-los. El fenomen de les oscil·lacions és una posada en escena pràctica de les relacions d'incertesa de Heisenberg en mecànica quàntica. Un canvi espontani entre dos neutrins de diferents masses implica necessàriament una violació d'energia. Aquesta infracció està permesa, sempre que només duri per un temps limitat.

Super-Kamiokande i l'oscil·lació dels neutrins

Aquest temps característic, que depèn de la diferència de les masses al quadrat, es tradueix en una longitud de l'oscil·lació. Gràcies a les seves estadístiques molt augmentades, es van acumular més de 10.000 interaccions de neutrins solars en pocs anys d'observació, Super Kamiokande va poder confirmar el dèficit i refinar els detalls de l'oscil·lació avaluant amb més precisió les masses. Super-Kamiokande, com amb experiments anteriors, només era sensible als neutrins solars de tipus electrònic.

Per tant, només podria testimoniar una desaparició de neutrins a causa de l'oscil·lació. L'índex complementari i definitiu de la realitat de les oscil·lacions consisteix a mesurar l'aparició de neutrins d'un nou tipus, absents en el flux original. Per als neutrins solars, això es va aconseguir l'any 2002, mitjançant un experiment canadenc anomenat SNO (Sudbury Neutrino Observatory), gràcies a l'ús d'un objectiu compost per una quilotona d'aigua pesant, i ja no d'aigua normal. SNO va poder confirmar definitivament el fenomen d'oscil·lació demostrant no només el flux disminuït de neutrins electrònics, sinó també mesurant el flux de neutrins dels altres dos tipus procedents del Sol.

Aquest resultat de l'astrofísica, que demostrava directament l'oscil·lació dels neutrins, va ser corroborat poc després per un experiment japonès. Aquest experiment va estudiar els neutrins procedents de reactors nuclears situats a gran distància, a una mitjana de 180 quilòmetres del detector. A més, va afinar els paràmetres de l'oscil·lació. El fenomen es va provar ara amb una font de neutrins artificial.

Veure:

- Capítol anterior: 2 El fenomen de les oscil·lacions dels neutrins
- Capítol següent: 4 Els neutrins atmosfèrics

Ho he vist aquí.