Neutrinos atmosféricos
Los neutrinos atmosféricos nacen cuando la radiación cósmica incide sobre la atmósfera de la Tierra. Son la fuente con la que se demostró por primera vez, en 1998, la oscilación de neutrinos — y siguen aportando hasta hoy uno de los dispositivos de medición más elegantes de la física.
Cómo nacen
Desde el espacio inciden constantemente sobre la Tierra protones y núcleos atómicos de alta energía. A unos 15 a 20 kilómetros de altura chocan con núcleos de nitrógeno y de oxígeno y generan una cascada de partículas secundarias, predominantemente piones y kaones.
Un pión cargado se desintegra en un muón y un neutrino muónico. El muón se desintegra a su vez en un electrón, un neutrino electrónico y otro neutrino muónico.
Si se hace la cuenta, se esperan el doble de neutrinos muónicos que de neutrinos electrónicos.
Por qué esta relación es tan valiosa
El flujo absoluto de la radiación cósmica solo se conoce con una precisión de alrededor del veinte por ciento. Para una medición en la que se trata de unos pocos por ciento, eso carecería de valor.
La relación de 2 a 1, en cambio, se sigue únicamente de la cadena de desintegración. Apenas depende de cuán intensa sea la radiación cósmica en cada momento ni de cuál sea su composición. No hace falta, pues, conocer la fuente con exactitud para disponer de una predicción nítida.
Justamente eso hace que los neutrinos atmosféricos sean utilizables para mediciones de precisión, aunque nadie los controle.
La Tierra como patrón de medida
La segunda particularidad es geométrica. Un detector situado a gran profundidad bajo tierra recibe neutrinos de todas las direcciones — pero estos tienen tras de sí trayectos muy distintos.
Los neutrinos que vienen de arriba nacieron 15 kilómetros por encima del detector. Los neutrinos que vienen de abajo nacieron en el otro lado del planeta y han recorrido unos 13 000 kilómetros.
Un solo y mismo detector mide así al mismo tiempo un trayecto muy corto y uno muy largo — una relación de casi mil a uno, y eso sin acelerador, sin un segundo emplazamiento, sin costes.
Como la oscilación depende de la longitud del trayecto, el efecto se manifiesta como una dependencia del ángulo de incidencia.
El descubrimiento de 1998
Super-Kamiokande aprovechó exactamente eso. El detector encontró desde arriba el número esperado de neutrinos muónicos — desde abajo solo alrededor de la mitad. Los neutrinos electrónicos no mostraban un déficit semejante.
Esta dependencia angular fue la prueba propiamente dicha. Un error del detector habría actuado igual arriba que abajo; una conversión que depende de la longitud del trayecto actúa exactamente así.
Takaaki Kajita presentó el resultado en junio de 1998. Fue la primera demostración sólida de que los neutrinos oscilan y poseen por tanto masa. En 2015 siguió el Premio Nobel.
La belleza de esta medición está en lo poco que necesitó: un detector, el cielo y el globo terrestre como patrón de medida.
Uso actual
Los neutrinos atmosféricos se siguen midiendo. IceCube y la parte ORCA de KM3NeT los emplean para determinar el orden de las masas de los neutrinos — pues al atravesar la Tierra el efecto MSW actúa de manera distinta según cuál sea la mayor de las masas.
El rango de energía va desde unos pocos cientos de megaelectronvoltios hasta el rango del petaelectronvoltio. En las energías más altas contribuyen además desintegraciones de partículas con quarks encantados — una contribución que todavía no está medida con seguridad.
El gemelo indeseado
Al mismo tiempo, los neutrinos atmosféricos constituyen un fondo allí donde se busca otra cosa.
Para los experimentos sobre la desintegración del protón y sobre la materia oscura forman el límite de lo factible. No se pueden apantallar — ninguna roca del mundo los detiene. A partir de cierto tamaño de detector recubren inevitablemente la señal buscada.
Esta barrera se llama en la lengua especializada huella de neutrinos y marca dónde termina la sensibilidad de toda una clase de instrumentos.
Términos relacionados
- Super-Kamiokande — el descubrimiento
- Muones cósmicos — el mismo origen
- Oscilación de neutrinos
- Takaaki Kajita
Fuentes
- Colaboración Super-Kamiokande: Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).