1897-1917 Preparando el escenario
1896 Se descrubre la
Radioactividad!
1897 Se descubre
el electrón!
1899 Los rayos
beta son electrones energéticos!
1911 Se descubre
el núcleo atómico!
1913 Se descubren
los isótopos!
1913
Bohr propone
reglas cuánticas adhoc!
1913 Se identifica
la carga nuclear con el número atómico!
1917 Los protones
se pueden expulsar fuera del núcleo!
·
Los
Físicos versus Darwin! En el siglo 19, geólogos, paleontólogos y el propio
Darwin sabían que nuestro planeta tenía que tener cientos de millones de años
de edad. Sin duda, hoy día sabemos que su edad es entorno a 4.500 millones de
años. Pero
Lord Kelvin argumentó persuasivamente que ni el Sol ni la Tierra
podrían haber existido durante más de unos 30 millones de años, de otra manera
el núcleo de la Tierra se habría enfriado, su campo magnético habría desaparecido
y el Sol se habría quedado sin combustible.
·
Ahora sabemos que el Sol está alimentado por
reacciones nucleares y que la radioactividad genera mucha de la energía en las profundidades
de la Tierra, sin embargo
Rutherford insistió en que cualquiera que espere una
fuente de energía de la transformación del átomo está loco. La fisión nuclear
sería descubierta en 1938 y las armas atómicas se desarrollarían poco más
tarde. “Los hombres han olvidado una verdad”, escribió
Saint-Exupery en otro
contexto. “Sois responsables de los que habéis dominado”
·
Seguramente a
Mme. Curie (*) le desconcertó el saber
que la pizca de radio que le costó tanto aislar de toneladas de pechblenda
eventualmente se convertiría en plomo barato. “No lo llames transmutación” le
dijo
Soddy a Rutherford cuando descubrieron esto, “Nos cortarán la cabeza por
alquimistas”. Formularon la ley de la desintegración beta, que dice que los átomos
radioactivos ni envejecen ni viven para
siempre…un giro inesperado que la mecánica cuántica explicaría eventualmente.
Nota : (*) La familia Curie ha dado 5 Premios Nobel.
·
A medida que se desarrollaba la mecánica cuántica y se
iba comprendiendo la estructura externa de los átomos, algunos físicos penetraban
más profundamente en el átomo: hasta el núcleo atómico y el misterio de la
radioactividad. Se identificaron tres
tipos de emanaciones radiactivas. Los Rayos alfa que son núcleos energéticos de
helio; los Rayos Beta que son electrones energéticos y los Rayos Gamma que son fotones energéticos. Las energías de estas
partículas, millones de veces mayores que las asociadas a los fenómenos
atómicos o moleculares, revelaron que la radioactividad es un fenómeno
nuclear. ¿Determinaremos alguna vez la estructura interna del nucleo? ¿Podrían
los procesos nucleares proveer un suministro virtualmente ilimitado de energía?
·
Nucleos
de la A a la Z: En 1810
William Prout sospechó que los pesos atómicos eran
múltiplos enteros de el del hidrógeno. Con el descubrimiento de los isótopos,
se encontró que todas las especies nucleares tenían pesos atómicos
aproximadamente enteros: el número Atómico de
masa 'A'. La tabla de
Mendeleev se concibió con los elementos situados en
orden de peso atómico creciente. Debería haber sido por número atómico Z, la
carga eléctrica del núcleo. Cada núcleo atómico se caracteriza por estos dos
enteros. Por ejemplo el Hidrógeno tiene Z=1 y los tres isótopos tienen A=1, 2 y 3.
En adelante designamos un núcleo con número de masa A y número atómico Z como
(A, Z).
El Núcleo Electrón-Protón 1917-1932
Solo se
conocían dos tipos de partícula que pudieran servir de bloques para construir
el núcleo atómico: El protón, pesado y con carga positiva y el electrón, ligero
y con carga negativa. Sin duda la observaciones experimentales sugerían que ambas partículas tenían
que estar presentes en el núcleo. Los electrones son
emitidos por ciertos núcleos en el proceso radioactivo de desintegración beta y
Rutherford había mostrado que se podían extraer protones de grandes núcleos.
Estos hechos parecían confirmar la idea de que los núcleos están hechos de
protones y electrones. Las reglas eran simples: el núcleo (A, Z) consistiría de A protones (para proporcionar la masa) y de A-Z electrones (para darle la carga
eléctrica correcta). Los electrones jugaban dos papeles en la estructura de los
átomos: aquellos electrones en el exterior del núcleo sujetos a las reglas de
la mecánica cuántica, y otros confinados de alguna manera dentro del núcleo. Este
modelo sufría por lo menos dos problemas importantes.
El problema de la
estadística
Los protones
y los electrones son fermiones, por lo que están sujetos al principio de exclusión
de Pauli. Las partículas compuestas por un número impar de fermiones son
fermiones a su vez. De acuerdo con el modelo de núcleo P-e, núcleos impares
como el 6Li3 y el 14N7 contienen un
número impar de constituyentes y deberían cumplir el principio de exclusión de
Pauli. Esto tendría consecuencias observables que estaban en conflicto con los
experimentos!
El problema de la
Energía
En la
desintegración alfa, (A, Z) -> (A-4, Z-2) + (4, 2), la partícula alfa se
lleva toda la energía. Pero en la desintegración beta, (A, Z) -> (A, Z+1) +
e-, el electrón se lleva solo una parte de la energía disponible,
unas veces más, otras menos. ¿Que ocurre con la energía que falta? Algunos
científicos, desesperados (como premios Nobel Niels Bohr y Mme. Curie), estaban
preparados para abandonar la ley de la conservación de la energía! Pero no
Pauli.
Pauli soluciona el problema el
14 de diciembre de 1930
“Dear Radioactive Ladies and Gentlemen
Por la estadística ‘errónea’ de los núcleos N y 6Li y el
espectro beta contínuo, me he encontrado con un remedio desesperado para salvar
el “teorema de intercambio” de la estadística y la ley de la conservación de la
energía. Sería la posibilidad de que dentro de los núcleos puedan existir partículas
eléctricamente neutras que quiero llamar neutrones, que (como los protones y
los electrones) obedecen al principio de exclusión… La masa de los neutrones
debería ser similar a la masa del electron…Estoy de acuerdo en que mi remedio
podría parecer increíble…. Pero solo los osados pueden ganar…
Desafortunadamente no puedo comparecer personalmente en Tubingen ya que soy
indispensable aquí en Zurich por la fiesta de la noche del 6 de diciembre…. Su
humilde servidor, W. Pauli”
El remedio osado de Pauli funciona; la energía que falta en la
desintegración beta se la lleva una partícula neutra, llamada antineutrino. Pero Pauli se cortó con la
Navaja de Okham. Intentó soulucionar dos problemas con solo una partícula nueva
cuando se necesitaban dos. Imaginó que los núcleos contendrían su partícula nueva
así como los protones y los electrones, solucionando así el problema de la
estadística. Pero en verdad, no hay ni electrones ni neutrinos dentro de los
núcleos atómicos!
De la Gran Depresión
a la Segunda Guerra Mundial
1930 Pauli inventa el neutrino!
Su idea fue aceptada eventualmente pero solo con oposición. En 1934, HansBethe argumentó que no había posibilidad de observar el neutrino. Una década
más tarde George Gamow(*) estaría de acuerdo : un haz de neutrinos pasaría a través del espesor
de varios años luz de plomo, escribió, se escapan de cualquier posibilidad de
observación. Y Pauli mismo concluyó que “he hecho algo terrible; he predicho
una partícula indetectable” Sin duda, Pauli tuvo que esperar un cuarto de siglo
para que su remedio valiente fuera observado.
“Neutrinos are very small
They have no charge and have no
mass
And do not interact at all…”
John Updike Cosmic Gall
Nota (*) Glashow nos recomienda leer "OneTwo Three... Infinity" de Gamow
1931 Se descubre el hidrógeno
pesado (deuterio o 2H1)!( Se hace tritio radioactivo 3H1
en 1934)
1932 Se descubren los
positrones (antipartículas de los electrones) entre los rayos cósmicos!
1932 Chadwick descubre el
verdadero neutrón!... una partícula neutra con casi la misma masa que el
protón. Neutrones y protones son los únicos constituyentes de los núcleos. El
núcleo (A, Z) contiene Z protones y A-Z neutrones. Ni electrones ni neutrinos.
1933 Fermi renombra las
partículas de Pauli neutrinos y desarrolla una teoría de la desintegración
beta. En este proceso, la carga nuclear crece en uno, un electrón y un neutrino
son emitidos – pero estas partículas no estaban presentes antes de la
desintegración: fueron creadas!
Fermi generaliza la noción emergente de que los fotones (o pares
electrón-positrón) pueden ser creados y destruidos. La desintegración beta
involucra muchos de estos eventos dentro del núcleo padre: (1) Un neutrón es
destruido, (2) un protón es creado, (3) un par de partículas es creado y
expulsado fuera del núcleo: un electrón y un neutrino.
1934 Irène Curie y FrederikJoliot descubren otro tipo de desintegración beta donde (A, Z) -> (A, Z-1) +
e+ el recientemente descubierto positrón. Se adapta la teoría de
Fermi para describir este proceso. Se hace conveniente renombrar la partícula
de Pauli de nuevo: se hace el antineutrino.
1938 El descubrimiento de la fisión nuclear por Hahn, Meitner y
Strassman tuvo muchas consecuencias: para la física nuclear, para las bombas atómicas, las centrales de energía, resultó embarazoso para el comité de los Nobel del año
1938(*)…y tuvo consecuencias para el desarrollo futuro de la física de neutrinos.
Nota (*) Enrico Fermi fue galardonado por algo que no hizo, la síntesis de nuevos elementos radioactivos. Posteriormente se comprendió que la fisión espontánea en la naturaleza ya los producía desde siempre.
1939 Hans Bethe propone que las reacciones nucleares son la fuente de
la energía del Sol. Cerca del 10% de la potencia emitida por el Sol es en forma
de neutrinos.
1940 Fermi construye el primer reactor nuclear en Chicago. Cerca del
10% de la energía emitida por un reactor nuclear es en forma de antineutrinos.
DESINTEGRACIÓN
BETA – UNA REVISIÓN
(A, Z) -> (A, Z+1) + Electron + Qué?
< 1930 ‘Qué’
significa nada de nada.
1930 Ahora es el neutrón de
Pauli
1932 Se descubre el verdadero
neutrón (Chadwick)
1933 Ahora es el neutrino de
Fermi
1934 Ahora es el antineutrino
1963 Ahora es el antineutrino
electrónico.
LAS TRES
VARIEDADES DE LA
DESINTEGRACION
NUCLEAR BETA
N -> P + e-
+`ne
P -> N + e+ + ne
e- + P -> N + ne
El último medio siglo
1956 Clyde Cowan y Frederick Reines detectan
flujo de antineutrinos procedentes de un reactor nuclear. Pauli está encantado,
pero Reines tuvo que esperar medio siglo por su Premio Nobel. (Cowan murió en
1974) La reacción que observaron fue :
Antineutrino
+ Protón -> Neutrón + Positrón
1958 Ray Davis muestra que los antineutrinos que
producen los reactores no convierten el Cloro en Argón, esto demuestra que
los neutrinos no son sus propias antipartículas : `n <> n
1958 Gary Feinberg demuestra que si las interacciones
débiles están mediadas por un bosón vectorial hipotético los neutrinos electrónicos
deben ser distintos de los neutrinos muónicos.
1959 Mel Schwartz sugiere utilizar haces intensos
de neutrinos y antineutrinos energéticos y desarrollar detectores para estudiar
sus interacciones. Nace la nueva disciplina de la física de neutrinos de altas
energías.
1962 Dos
neutrinos! Schwartz, Lederman y Steinberger usan haces de neutrinos para
descubrir que los neutrinos muónicos y los neutrinos electrónicos son partículas
distinguibles : ne <> nm
1998 Ray
Davis tiene éxito detectando y midiendo el flujo de neutrinos del Sol. Hay
buenas y malas noticias : El Sol produce neutrinos, pero muchos menos de los
esperados. Ray recibe el Premio Nobel en 2002, justo después de que el problema
de los neutrinos Solares es resuelto.
1972 Datos preliminares de difusión neutrino
antineutrino proveen una verificación sorprendente de modelo de hadrones de
quarks… Donald Perkins.
1973 Físicos trabajando con la cámara de burbujas
Gargamelle en el CERN observan que los neutrinos y antineutrinos sufren
difusión por corrientes neutras, tal como predice la teoría electrodébil.
1975 Utilizando un haz de neutrinos incidente en
una cámara de burbujas, Nick Samios es el primero en producir y detectar una
partícula encantada! Un año después de se encuentran muchas más en el SLAC.
1975 Se descubre el leptón Tau, conduciendo a la
predicción de la existencia de una tercera especie de neutrinos.
1987 La
supernova 1987a tiene lugar en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia enana
cercana. Fue la primera oportunidad para que los astrónomos modernos observaran
una supernova de cerca.
Aproximadamente
tres horas antes de que llegase a la Tierra su luz visible, un estallido de
neutrinos fue observado en tres observatorios de neutrinos diferentes. Estos es
probablemente debido a la emisión de neutrinos (que ocurre simultáneamente con
el colapso del núcleo) precediendo a la emisión de luz visible.. El Kamiokande
II (en Japón) detectó 11 antineutrinos, IMB ( en los EEUU) detectó 8 y Baksan
(en la URSS) detectó 5, en un estallido que duró menos de 13 segundos. Estas
observaciones sirvieron para confirmar los modelos astrofísicos de las
supernovas.
1998 Se anuncia en Neutrino-98, en Takayama, Japón, la observación de oscilaciones de neutrinos
en la atmósfera. Los
experimentadores recibieron una grán ovación de la audiencia por su impresionante
descubrimiento, que implica que los neutrinos poseen masa.
2000 Finalmente se encuentra la primera evidencia
directa de la existencia del neutrino Tau. El neutrino tau es la última de las
partículas en el modelo estándar que se ha detectado. El descubrimiento se debe
a una colaboración internacional de 54 físicos en el Fermilab.
2001
Físicos de Canadá, UK y EEUU anuncian que sus primeros resultados dan la
solución a un misterio de hace 30 años- el puzzle de los neutrinos Solares que
faltan. El observatorio de neutrinos de Sudbury (SON) encuentra que la solución
se halla no en el Sol, sino en los neutrinos, que cambian según viajan desde el
núcleo del Sol a la Tierra… Los nuevos resultados, combinados con trabajos
previos, revelan esta transformación claramente, y muestran que el número total
de neutrinos producidos en el Sol son justo los que predicen los modelos
solares detallados..
2011 La
colaboración OPERA informa de observaciones de neutrinos que viajan a una
velocidad de 25 partes por millón más rápido que la luz! Cohen y Glashow(*) muestran que los neutrinos superluminosos deben perder energía emitiendo pares
electrón-positrón. No lo hacen! Ni en OPERA ni en muchos estudios previos de
neutrinos energéticos. O bién el resultado de OPERA es incorrecto o mucho de lo
que creíamos conocer (no solo la relatividad especial) requiere teorectomía
radical.
(*) "If the neutrinos travel faster than light I would say to Mother Nature, Mother I give up"
(*) Glashow comenta que estaría muy sorprendido si no se confirma el Higgs en los próximos experimentos del LHC en 2012.
Nota : Los neutrinos de SN1987a llegaron a la Tierra a una velocidad igual a la de la luz con un error de 2 partes por mil millones, los de OPERA sinembargo parecen viajar más rápido que los de la luz en 25 partes por millón!
Nota : 1995 El quark top es descubierto en el FERMILAB, este quark no hadroniza dada su corta vida media, proporcionando a los físicos una oportunidad única de observar un quark desnudo.
Nota del traductor : El 4 de julio de 2012 el CERN anunció la detección del Higgs.
Nota del traductor : El 16 de marzo de 2012 Los científicos de OPERA atribuyen las mediciones erróneas a un falso contacto.
