Transformación mutua de diferentes tipos de neutrinos 08.10.2015

Es bien conocida la muy débil interacción de los neutrinos con la materia. Pueden atravesar la Tierra o el Sol sin perturbar un solo átomo. Además, pueden atravesar miles de millones de estrellas de esta manera. Esto dificulta, por un lado, el registro y la medición de sus características y, por otro, las convierte en fuente de la información más importante sobre la evolución del Universo y los procesos que ocurren en el interior de las estrellas. Los científicos también creen que los neutrinos pueden jugar un papel clave en la explicación de la asimetría de la materia y la antimateria en el Universo, que consiste en que después del Big Bang no hubo una aniquilación mutua completa entre la materia y la antimateria, y parte de la materia aún sobrevivió. y formó nuestro Universo.

Uno de los problemas con los neutrinos es el problema de su masa. Durante mucho tiempo se supuso que el neutrino no tenía masa. Así fueron considerados en la versión original del Modelo Estándar. La solución de esta pregunta es importante no solo para comprender la física de las partículas elementales. Los neutrinos son generados por reacciones nucleares que ocurren en el Universo, y después de los fotones son las partículas más comunes en él. Su número es enorme. Más de 60 mil millones de neutrinos atraviesan un centímetro cuadrado cada segundo. Entonces, incluso con una masa propia muy pequeña, la masa total de todos los neutrinos puede ser muy grande y puede afectar la evolución del Universo. Según estimaciones modernas, la masa de todos los neutrinos es aproximadamente igual a la masa de todas las estrellas visibles del Universo.

Otro problema surgió al determinar el número de neutrinos electrónicos que llegaban a la Tierra desde el Sol. Desde la década de 1970, los experimentos han registrado solo un tercio del número predicho por la teoría. A esto se le llamó déficit en el número de neutrinos electrónicos. Para explicar el fenómeno, se propusieron dos docenas de suposiciones, de las cuales ganó la hipótesis de las llamadas oscilaciones de neutrinos (oscilaciones). Asumió que los neutrinos electrónicos en su camino desde el Sol se convirtieron en otros tipos de neutrinos que no se registraron en los experimentos. Curiosamente, la idea de las oscilaciones de partículas elementales fue expresada por el académico soviético Bruno Pontecorvo allá por 1957. Las oscilaciones de neutrinos se discutieron seriamente en la segunda mitad de la década de 1990.

Actualmente, se conocen tres tipos de neutrinos, cada uno de los cuales siempre nace junto con el leptón correspondiente: un electrón, un muón o un leptón tau, de donde obtuvieron sus nombres. De acuerdo con la hipótesis de las oscilaciones de neutrinos, se produce periódicamente en el tiempo y en el espacio un proceso de transformación de los neutrinos entre sí. Entonces, en el haz, que inicialmente consiste solo en neutrinos electrónicos, a medida que se propaga, aparece una mezcla de neutrinos muón y tau con una disminución simultánea en la fracción de los electrones.

Curiosamente, la solución a este problema resultó estar relacionada con el problema de la masa del neutrino. El hecho es que las oscilaciones de neutrinos son posibles solo si tienen masas.

La razón de esto, según los conceptos modernos, es que los neutrinos electrón, muón y tau son una mezcla cuántica de tres estados con diferentes masas, cada uno de los cuales entra con su parte. Podemos decir que los neutrinos electrón, muón y tau consisten en tres ondas, cada una de las cuales oscila con su propia frecuencia y amplitud. Por lo tanto, si en el momento inicial la suma de estas ondas parecía un neutrino electrónico, luego de un tiempo estas ondas se sumarán de tal manera que aparecerá una mezcla de neutrinos muón y tau, que los experimentadores miden como Déficit en el número de neutrinos electrónicos.

Entonces, los físicos han creído durante mucho tiempo que los neutrinos tienen masa, aunque aún no se ha medido directamente. Incluso se hizo una ligera modificación correspondiente de las fórmulas del Modelo Estándar, que no violó su esencia. Pero la evidencia experimental de esto se obtuvo a finales de los siglos XX y XXI. Los ganadores del Premio Nobel de 2015, el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald, fueron las figuras clave en los dos principales grupos de investigación que investigaron las oscilaciones de neutrinos.

En 1998, se publicaron los resultados de científicos japoneses sobre las oscilaciones de los neutrinos atmosféricos, que surgen de la interacción de los rayos cósmicos con los núcleos de los átomos de los gases atmosféricos, obtenidos en el experimento Super-Kamiokande. Cuando un neutrino choca con una molécula de agua en el tanque del detector, nace una partícula cargada eléctricamente. Genera radiación Cherenkov, que se mide mediante sensores de luz. Su forma e intensidad revelan el tipo de neutrino y su procedencia. Los neutrinos muónicos que llegaron desde arriba fueron más numerosos que los que recorrieron el camino más largo a través del globo. Esto muestra que los neutrinos muón en el segundo caso se convirtieron en otros tipos de neutrinos.

En 2001, las oscilaciones de neutrinos solares fueron probadas en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO - Observatorio de Neutrinos de Sudbury). Allí, las reacciones entre los neutrinos y el agua pesada en el tanque detector permitieron medir el número de neutrinos electrónicos y de los tres tipos de neutrinos juntos. Se encontró que la cantidad de neutrinos electrónicos era menor de lo esperado, mientras que la cantidad total de los tres tipos de neutrinos juntos estaba en línea con las expectativas. De esto se siguió que algunos de los neutrinos electrónicos se convirtieron en otros tipos de neutrinos.