NEUTRINOS

 

El Descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos

 

Discovery of neutrino oscillations

 

 

Takaaki Kajita
Institute for Cosmic Ray Research
University of Tokio
5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa
Chiba Prefecture - Japan

 

 

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Es un honor poder dar esta charla y quiero agradecerles por organizar este maravilloso evento.

Ahora hablare un poco sobre el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos. Aquı presento un resumen acerca de la charla; con una muy breve introduccion sobre qué son los neutrinos. Luego hablare sobre el déficit de los neutrinos atmosféricos, luego sobre el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, y antes de terminar, quiero anadir algunas cosas mas sobre las oscilaciones de los neutrinos; y luego presentare un resumen de toda la charla

Ahora quiero decirles que son los neutrinos, así que si no entienden que son los neutrinos desde un principio, no van a entender nada de la charla. Los neutrinos son partículas elementales, como lo son los electrones o los quarks. Los neutrinos no tienen carga electrica. Existen tres tipos de neutrinos: los neutrinos electronicos, los neutrinos muónicos y los neutrinos tauonicos. Los neutrinos se producen en varios lugares como la atmosfera de la tierra, el centro del Sol, y otros sitios. Los neutrinos pueden penetrar facilmente a través de la Tierra e incluso el Sol. Por ejemplo, los neutrinos producidos al otro lado de la Tierra pueden facilmente penetrar la Tierra.

Sin embargo, los neutrinos interactuan con la materia muy raras veces. Por ejemplo, un neutrino muonico produce un muón, y un neutrino electrónico produce un electron. En el muy exitoso Modelo Estandar de las partículas, se asume que los neutrinos no tienen masa. Sin embargo, los fısicos se han estado preguntando si realmente los neutrinos no tienen masa.

Esta es la introduccion a los neutrinos y ahora pasare al déficit de los neutrinos atmosféricos. Antes de discutir acerca de los neutrinos atmosfericos como tales, quiero recordar un poco la historia de los neutrinos atmosfericos. En los años 70s se propusieron nuevas teorías que unificaban las fuerzas fuerte, debil y electromagnética. Esta es una teoría bastante convincente. Estas teorías predicen que los protones y los neutrones deberían decaer con una vida media de cerca de 1028 a 1032 anos. Por supuesto, estos numeros representan tiempos muy largos. Pero, si hacemos un experimento con mucho cuidado, es posible medir estas vidas medias de los protones y los neutrones. Las implicaciones físicas de detectar el decaimiento de los protones son muy importantes. La identificacion de los decaimientos de protones es similar a la identificacion de fósiles. Por lo tanto, varios experimentos para buscar el decaimiento del proton empezaron en los años 80s. Uno de esos experimentos era el de Kamiokande. Este es un dibujo del experimento Kamiokande. Es un experimento de 3 KTon de agua, basado en el efecto Cerenkov. Si una partıcula con carga se produce dentro del agua, entonces se producen fotones de Cerenkov. Seguidamente, esos fotones se detectan con los fototubos multiplicadores.

Por supuesto, para detectar el decaimiento de los protones, es necesario construir un detector. Por lo tanto, en 1983 iniciamos la construccion del detector Kamiokande. Esta foto fue tomada una manana de la primavera del ano 1983. La foto fue tomada justo antes de entrar a la mina. Y pueden ver, aquí está el Prof. Koshiba, quien gano un Premio Nobel en 2002. Aquı me pueden ver, acá atrás, y también pueden ver al Prof. Takita, cuando era mas joven.

En este experimento Kamiokande observamos muchos eventos asociados a neutrinos. Los neutrinos atmosfericos se producen gracias a las interacciones de los rayos cosmicos en la atmósfera. Cuando un rayo cosmico interactúa con la atmósfera se producen piones que decaen en muones, que decaen en electrones. En esta cadena de decaimiento se producen dos neutrinos muonicos y un neutrino electrónico, y es posible observar estos neutrinos por debajo de la tierra.

Quiero mencionar ahora un poco de mi trabajo en los anos 80s. Obtuve mi doctorado en marzo de 1986. Poco despues de obtener el doctorado, inicié el trabajo de mejorar el software de analisis. Uno de los programas de analisis era para identificar el tipo de partícula. Particularmente, quería saber si un anillo Cerenkov era producido por un electron o por un muon. Este es un anillo típico producido por un muon, y este otro es un anillo típico producido por un electron. El nuevo software fue aplicado a eventos de datos reales. El resultado fue muy extrano: el número de eventos asociados a neutrinos muonicos fue mucho menor de lo que esperaba. Por supuesto que eso no puede ser cierto. Lo que primero que pense es existían algunos errores en algun lugar, en la simulacion, en la reducción de los datos o en la reconstruccion de los eventos. Así que, nosotros (al decir nosotros quiere decir principalmente Prof. Takita y yo), iniciamos varios estudios para encontrar errores, al final del ano 1986.

Así que nos pusimos a trabajar seriamente por cerca de un ano, y nuestra conclusión fue que el deficit de neutrinos no podría deberse a algún problema grave en el analisis de los datos ni en las simulaciones. Así que decidimos publicar este resultado, y este es el resultado principal presentado en el artículo: noten que el numero de eventos de neutrinos electronicos está de acuerdo con lo que se esperaba. En cambio, si observamos el caso de los neutrinos muonicos, podemos ver que los datos reflejan un valor mucho menor al que se esperaba. Así que nuestra conclusion fue que ningún efecto sistemático del detector o alguna incerteza en los flujos de los neutrinos atmosfericos era responsable de este desacuerdo. Así que una de las conclusiones podría ser que la oscilacion de los neutrinos podría explicar los datos. Tambien quiero hablar un poco de mi recuerdo personal. Estaba muy emocionado por la posibilidad de que exista una oscilacion de neutrinos con un gran angulo de mezcla. Particularmente, parecía que los neutrinos muonicos parecían oscilar maximamente a otro tipo de neutrinos, que no era lo que se esperaba. De hecho, este gran angulo de mezcla no era lo que se esperaba de trabajos anteriores. Por lo tanto, yo estaba muy emocionado y fue la motivacion para estudiar de manera muy seria este fenomeno.

Ya que he mencionado las oscilaciones de los neutrinos, quiero explicar que son esas oscilaciones de los neutrinos. Si los neutrinos tienen masa, entonces los neutrinos pueden cambiar de tipo, de un tipo a otro. Por ejemplo, las oscilaciones pueden ocurrir entre neutrinos muonicos y neutrinos taúnicos. Por ejemplo, un neutrino muonico que se produce en ese punto, tiene este comportamiento (apunta a la grafica) para su probabilidad de sobrevivencia, y en este punto, la probabilidad de seguir siendo un neutrino muonico es mínima; y al mismo tiempo, la probabilidad de aparicion de un neutrino tauónico es maxima. Así que este es el fenomeno llamado oscilaciones de los neutrinos. Esta gente (fotografías de la derecha) predijo teoricamente este fenómeno. Quiero hacer notar que si la masa del neutrino es pequena, la longitud de la oscilacion se vuelve más grande. Por lo tanto, al medir la longitud de la oscilacion, uno puede inferir la masa del neutrino.

Así que publicamos nuestros resultados en 1988. Afortunadamente, otro experimento, el IMB, publico tambien resultados similares, tres años después.

Así que, dos experimentos observaron el deficit de los neutrinos atmosfericos. Sin embargo, la observacion del déficit no es suficiente para concluir que existe la oscilacion de los neutrinos. Necesitamos evidencia mas fuerte de la oscilación de los neutrinos. Así que pensamos: que deberíamos observar si realmente los neutrinos oscilan. Para algunas masas de los neutrinos, como los neutrinos que provienen del tope de la atmosfera hasta nuestro detector, no tienen suficiente tiempo como para oscilar. Por otra parte, los neutrinos producidos al otro lado de la Tierra pueden tener suficiente tiempo para oscilar. Por lo tanto, deberíamos de ver una asimetría significativa entre el flujo de los neutrinos que vienen de arriba, comparada con el flujo de los neutrinos que vienen de abajo. Así querıamos observar esta asimetrıa, pero, desafortunadamente, el detector de Kamiokande no era lo suficientemente grande. Necesitabamos un detector mucho más grande, que pasó a ser el Super Kamiokande

Ahora hablare sobre el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos. El Super Kamiokande es una version mucho más grande del detector de Kamiokande. El diametro del Super Kamiokande es de 39 m y su altura es de 42 m, y contiene 50 mil toneladas de agua pura. Esta es una colaboracion internacional, y los actuales países que participan del experimento estan presentados aquí.

Como ya dije, Super Kamiokande es un detector mucho mas grande que el Kamiokande, y por lo tanto necesitabamos mucha más gente para construirlo. Esta es una foto tomada en la primavera de 1995. En el 95, trabajamos practicamente todos los días en la mina, y esta foto presenta el numero típico de personas que estaban en la mina. Quiero mencionar que la mayor parte de esta gente son físicos o estudiantes de postgrado.

Este es el interior del Super Kamiokande, cuando practicamente concluimos la construcción, y pueden notar cuan grande es este detector si se fijan en las tres personas que se encuentran en el bote.

Ası que este detector funcionaba muy bien desde el principio. Este (a la izquierda) es el patron típico de una interaccion de un neutrino muónico, y este (a la derecha) es otro patron típico de una interaccion de un neutrino muónico, pero la energía es mucho mayor. Así que en el Super Kamiokande se analizaron muchos tipos de eventos de neutrinos. Así que la colaboracion de muchos participantes ha sido muy importante para alcanzar los resultados; y particularmente el trabajo duro de muchos colaboradores jovenes ha sido muy importante.

Ya que el detector funciono muy bien, después de dos anos obtuvimos el primer resultado importante. Esta diapositiva en particular fue presentada en la conferencia Neutrino, en el ano 1998. La imagen superior es para neutrinos electronicos, y la imagen inferior es para neutrinos muonicos. La gráfica presenta los eventos en funcion del coseno del ángulo cenital, donde uno representa a los neutrinos que provienen de encima; por otro lado, los neutrinos que vienen del otro lado de la Tierra estan alrededor de -1. Pueden ver que las cajitas son las predicciones de las simulaciones y los puntos representan los datos. Pueden observar que los eventos observados en la direccion de abajo hacia arriba, es practicamente la mitad de lo que se predecía. Esto era exactamente lo que queríamos observar. Combinando estos datos con otros datos, llegamos a la conclusion que los neutrinos oscilan. Así que el resultado del Super Kamiokande fue aceptado por la comunidad de físicos.

Ahora quiero hablar un poco mas acerca de las oscilaciones de los neutrinos. De hecho, existía un problema famoso relacionado con los neutrinos solares. El experimento Homestake observo neutrinos solares, pero a un flujo de un tercio de lo que se esperaba de la teoría. Este problema existía incluso desde finales de los anos 60s. Este problema fue confirmado por los experimentos que siguieron a este en las decadas siguientes. Pero no podían concluir que este deficit de los neutrinos solares se debía a las oscilaciones de los neutrinos.

Así que, finalmente obtuvimos la respuesta a este problema en este siglo. El problema fue en esencia resulto por el experimento SON en Canada. En este experimento pudieron medir el flujo de neutrinos electronicos, y de manera independiente medir el flujo total de neutrinos. Estos son los datos de ese experimento, y se puede ver que el flujo total de neutrinos en la barra inferior y el flujo de neutrinos electronicos es básicamente un tercio del flujo total. Así que, con esta observacion se pudo concluir que el problema de los neutrinos solares se debía a las oscilaciones de los neutrinos.

Hasta este momento he discutido los resultados del experimento Super Kamiokande y del experimento SNO. Ası que sabemos que los neutrinos tienen masa. Pero, por que son importantes las masas de los neutrinos? Con esta diapositiva quiero explicar por que las pequeñas masas de los neutrinos son importantes. En esta grafica podemos ver las masas de las partículas de diferentes generaciones. Así que queríamos comparar las masas de los neutrinos con las de esta figura. Antes de mostrarles el resultado de la comparacion, quiero mencionar que la escala del eje inferior entre cada una de sus divisiones, una diferencia de un factor de cien. Ahora les muestro las masas de los neutrinos que estan a la izquierda. Está claro que las masas de los neutrinos son mucho, mucho menores que las masas de las otras partículas.

Así podemos ver que las masas de los neutrinos son aproximadamente diez millardos de veces mas chicas que las masas correspondientes de los quarks y de los leptones cargados. Pensamos que estas pequenas masas de los neutrinos son la clave para entender la naturaleza a las escalas mas pequeñas y a las escalas mas grandes. Por lo tanto, estamos muy emocionados con las masas de los neutrinos.

En esencia, he concluido, pero antes de realmente concluir, quiero mencionar algunas otras cosas: Como menciono el Prof. Takita, la colaboración entre Bolivia y Japon en el área de los rayos cósmicos comenzo en el año 1962. En 1982, se firmó el acuerdo actualmente vigente entre el ICRR - U.Tokio y el IIF - UMSA. Desde entonces, varios experimentos han sido realizados. El ano pasado, uno de los experimentos principales, el BASJE concluyo sus operaciones, ahora estamos entrando en una nueva etapa. Ahora, la colaboracion entre Bolivia y Japón entra en una nueva etapa con el nuevo experimento denominado ALPACA.

Ahora voy a resumir mi charla. Un deficit inesperado del flujo de neutrinos muonicos provenientes de la atmosfera fue observado en el experimento Kamiokande en el ano 1988. Seguidamente, en 1998, el experimento Super Kamiokande descubrio las oscilaciones de los neutrinos, que demuestra que los neutrinos tienen masa. El descubrimiento de una de los neutrinos diferente de cero abrio una nueva ventana para el estudio de la física, mas allá del modelo estandar de las partículas elementales; probablemente relacionado con una teoría de gran unificacion de las interacciones elementales. Y este es el principal mensaje que quiero dar: la investigacion científica esta llena de emociones, y espero que muchos de ustedes trabajen en los diferentes campos de la ciencia.

Muchas gracias por su atencion.