El neutrino y el grafeno con Francis Villatoro de la Ciencia de la Mula Francis. Prog. 107. La Fábrica de la Ciencia.

Entrevista al gran Francisco Villatoro (Francis. Naukas-La Ciencia de la Mula Francis) Dr. en Matemáticas, Licenciado en Física, ingeniero informático y prof esor en la Universidad de Málaga.
Estas son las preguntas.
¿Qué son los neutrinos? Los neutrinos, como los electrones, son leptones, pero no tienen carga eléctrica, son neutros, y su masa es extremadamente pequeña, tanto que todavía no hemos sido capaces de medirla. Los neutrinos son las partículas con masa más abundantes del universo. Hay unos 700 millones de neutrinos por cada protón. Los neutrinos son emitidos por las reacciones nucleares que sustentan la energía del Sol y en los reactores nucleares. Los neutrinos están asociados a la radiactividad de tipo beta (un neutrón de un núcleo se transforma en un protón con la emisión de un electrón y un antineutrino). Un plátano emite antineutrinos porque el 0,012% del potasio en esta fruta es potasio-40 (isótopo K-40) que es radiactivo beta. El Sol emite decenas de billones de neutrinos que atraviesan cada centímetro cuadrado de tu cuerpo cada segundo. Los neutrinos nos bombardean día y noche durante toda nuestra vida. Pero como nos atraviesan sin ser absorbidos, no nos afectan para nada, no sentimos absolutamente nada. La interacción del neutrino con las demás partículas conocidas es tan débil que conocer sus propiedades en detalle es casi imposible. El neutrino es la partícula conocida de la que menos cosas sabemos. La partícula más enigmática de todas.

¿Cuándo se descubrió el neutrino por primera vez? Las desintegraciones radiactivas de los núcleos de los átomos, que permite la transmutación de los elementos, son de tres tipos: la radioactividad alfa, que viene acompañada de la emisión de núcleos de helio 4 (formados por dos protones y dos neutrones), la radioactividad beta, que viene acompañada de la emisión de electrones (o sus antipartículas, los positrones), y la radioactividad gamma, la emisión de fotones de alta energía. A principios del siglo XX se observó que la energía del electrón emitido por radiación beta mostraba un espectro continuo, lo que parecía violar el principio de conservación de la energía. Pero a finales del año 1930, el físico teórico Wolfgang Pauli propuso que existía una partícula neutra similar al electrón pero de masa mucho más pequeña a la que llamó neutrón y que se emitía junto con el electrón. En febrero de 1932, James Chadwick descubrió en los núcleos de los átomos la partícula que hoy llamamos neutrón, pero su masa es un poco mayor que la del protón, y no puede ser la partícula predicha por Pauli. Por ello, Enrico Fermi decidió llamar a la partícula de Pauli con el nombre en diminutivo, neutrino. A finales de 1933, el matrimonio Joliot-Curie descubrió la radioactividad beta positiva (la emisión de un positrón en lugar de un electrón), con lo que Enrico Fermi desarrolló la teoría de la desintegración beta (interacción débil) usando la hipótesis del neutrino. Pero como la probabilidad de interacción entre los neutrinos y la materia es extremadamente pequeña, miles de millones de veces más pequeña que la de un electrón, parecía imposible que los neutrinos fueran observados.

Al final fueron observados, ¿cómo se logró observar los neutrinos por primera vez? La observación directa de los neutrinos parecía imposible, porque su interacción era demasiado débil. En 1945, la primera bomba atómica inspiró al físico Frederick Reines para situar un detector de neutrinos cerca de una bomba atómica, pero en 1952, tras conocer a su colega físico Clyde Cowan, acordaron usar un reactor nuclear civil. En 1956 cerca de la planta nuclear de Savannah River, en Carolina del Sur, observaron la primera señal clara de la existencia de los (anti)neutrinos. Usaron como blanco 400 litros de agua con cloruro de cadmio. El antineutrino interacciona con los protones del blanco dando lugar a un positrón y un neutrón, cuyas aniquilaciones están separadas unos 15 microsegundos, lo que identifica la interacción con el neutrino. Estos neutrinos son de tipo electrónico porque en el reactor nuclear se produce una desintegración beta que emite un electrón. Pero también hay desintegraciones beta que emiten muones y los correspondientes neutrinos muónicos.

¿Cuándo se observó por primera vez el neutrino muónico? Los neutrinos (leptones neutros) están asociados a los leptones cargados (electrones, muones y leptones tau); se dice que los neutrinos tienen tres "sabores" diferentes. Para observar los neutrinos muónicos se requiere más energía que la producida en reactores nucleares. La idea es bombardear un blanco con un haz de protones de alta energía y producir mesones (sobre todo piones y kaones) que se desintegren en muones y neutrinos muónicos. Leon Lederman (el autor del libro "La partícula divina"), Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron el neutrino muónico en 1962. El tercer y último sabor de los neutrinos, el tauónico, fue anunciado en el año 2000 gracias al experimento DONUT ((Direct Observation of theNU Tau) en el Fermilab, cerca de Chicago. El colisionador LEP (detectores ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL) en el CERN estudió la desintegración del bosón Z entre 1989 y 2001 y demostró que no existen nada más que 3 sabores de neutrinos (N? = 2.984 ± 0.008) con masa inferior a la mitad de la masa del bosón Z (unos 45 GeV).

El fenómeno más característico de los neutrinos es la llamada oscilación de los neutrinos, ¿qué se entiende por este fenómeno? La física de los neutrinos es necesaria para entender el funcionamiento de las estrellas. Sin embargo, desde 1969, se sabe, gracias a un físico llamado Ray Davis, que no permite entender el comportamiento de los neutrinos solares salvo que, a diferencia de los electrones, los neutrinos tienen estados con masa diferentes de los estados con sabor. El Sol emite un 40% menos de neutrinos electrónicos que los predichos por el modelo solar estándar. Además, en los rayos cósmicos también se observa un déficit de neutrinos muónicos. La explicación teórica es de principios de los 1960, pero la evidencia experimental es de finales de los 1990. El experimento japonés SuperKamiokande demostró que los neutrinos oscilan, es decir, cambian de sabor. Los estados con sabor bien definido, electrónico, muónico y tauónico, difieren de los estados con masa bien definida, que son una mezcla de los tres sabores. A este fenómeno se le llama oscilación de los neutrinos
¿Cómo podemos explicar la oscilación de los neutrinos? Sus estados con masa difieren de los estados con sabor, lo mismo que ocurre con los quarks. Los neutrinos se generan con sabor bien definido (electrónico, muónico y tau), pero con masa indeterminada (en el modelo estándar se generan como si fueran partículas sin masa mediante desintegraciones mediadas por los bosones W y Z). Pero se propagan con masa bien determinada (estados m1, m2 y m3) y sabor mezclado (esta propagación no se puede observar en quarks por el confinamiento). Hay tres ángulos que determinan el grado de mezcla de sabores en los estados con masa, llamados theta_23 (neutrinos atmosféricos y haces de neutrinos en reactores), theta_12 (neutrinos solares y reactores) y theta_13. Para theta_12 usamos neutrinos solares en modo desaparición (e ??,?) con SNO, KamLAND, Super-K. Recientemente, Borexino los midió con precisión. Futuro: SNO+, Hyper-K, JUNO, DUNE, etc. También podemos usar para theta_23 los neutrinos atmosféricos, debidos a rayos cósmicos, ... Experimentos de haces: K2K (KEK to Kamioka), MINOS(+), CNGS (CERN to LNGS), NOva (FNAL to Ash River), T2K (J-PARC to Kamioka). Futuro: LBNF/DUNE (FNAL to Homestake) y Hyper-K ( J-PARC to Kamioka) ... Para theta_13 experimentos con haces como K2K, MINOS, T2K, NO?A y con reactores como CHOOZ, Double Chooz, Daya Bay, RENO.
¿Qué sabemos sobre la masa de los neutrinos? Por un lado su masa (la de sus tres estados mezcla, m1, m2 y m3), pues ahora mismo sólo conocemos el cuadrado de las dos diferencias entre masas (?m12² = 10^-5 eV^2 y ?m23² = ?m13² = 10^-3 eV^2). Hay dos posibilidades para la jerarquía (orden) de estas masas: la normal es que dos neutrinos tienen masa pequeña (m1 y m2) y uno tiene masa grande (m3), y la invertida es que un neutrino tiene masa pequeña (m3) y dos neutrinos tienen masa grande (m2 y m1). No sabemos aún cuál es la jerarquía correcta. Por ahora sabemos por medidas cosmológicas que la suma de las masa es menor de unos 0,2 eV. Hay muchas cosas de los neutrinos que no conocemos, como si son fermiones de Dirac o de Majorana.
¿Qué significa que los neutrinos puedan ser fermiones de Dirac o de Majorana? Las partículas sin masa tienen la llamada helicidad, la proyección de su espín en la dirección de su movimiento. La proyección del espín en la dirección de su movimiento se llama helicidad ?derecha? y en la dirección contraria helicidad ?izquierda?. Los neutrinos sin masa sólo tienen helicidad izquierda. Pero un neutrino con masa puede cambiar de helicidad en un sistema de referencia adecuado (a mayor velocidad que la de la partícula). Por tanto, tienen que existir neutrinos con la otra helicidad. En 1937, el físico italiano Ettore Majorana, desarrolló una teoría en la que el neutrino y el antineutrino son la misma partícula. Por tanto, un neutrino se puede aniquilar con un neutrino, la llamada desintegración beta doble sin neutrinos. Cuando un neutrón de un núcleo se desintegra emitiendo un antineutrino, al ser idéntico al neutrino, puede ser absorbido por un protón de mismo núcleo. Como resultado tenemos una desintegración radiactiva doble que emite un electrón y un positrón pero sin ningún neutrino. Los experimentos como NEXT, del español Juan José Gómez Cadenas, en Canfranc, Pirineos, están buscando este tipo de desintegración, aún sin éxito. Su experimento es uno de los más prometedores, pero siempre y cuando el neutrino sea una partícula de Majorana. Los neutrinos de Majoarana tienen 3 ángulos de posible violación de la simetría CP, necesaria para la asimetría materia-antimateria primordial, en lugar de 1 ángulo como los de Dirac. Como falta violación CP en el modelo estándar muchos expertos consideran que los neutrinos deben ser de Majorana. Pero quien sabe...
¿Podría ser el neutrino la partícula de materia oscura? No, porque sería materia oscura caliente. Partículas de baja masa que se mueven casi a la velocidad de la luz. Este tipo de materia oscura está descartada por los resultados cosmológicos.

Se dijo que los neutrinos eran superlumínicos, ¿qué sabemos sobre esto? Una propuesta de principios de los 1960 para entender ciertos resultados es que los neutrinos son taquiones. Tienen una masa imaginaria (su cuadrado es
¿Qué papel juegan los neutrinos en la asimetría materia-antimateria primordial? La leptogénesis...
¿Por qué son tan interesantes los neutrinos? Porque podría permitir explorar la escala de energías GUT de forma indirecta...
En la segunda hora, junto a nuestro amigo y colaborador del programa Brian, hemos entrevistado de nuevo a Francis y le hemos preguntado lo siguiente sobre el grafeno:
1- ¿Qué es el grafeno?
2- ¿Cómo y quien lo descubrió?
3- ¿Cuáles son sus propiedades principales?
4- Propiedades mecánicas.
5- Aplicaciones en electrónica.
6- En 2011 el telescopio espacial Spitzer de la NASA descubrió grafeno en el espacio además de otras moléculas de la familia de los fulerenos, en concreto las moléculas C60 y C70
Ahora vamos a comentar unos artículos suyos publicados en Naukas.
7- Generación completamente óptica de plasmones en grafeno
8- Electrones confinados en una cavidad circular en grafeno
9- Más allá del grafeno
10- Una alternativa al grafeno en óptica dependiente de la polarización
11- La permeabilidad del grafeno al hidrógeno y las pilas de combustible
12- Un actuador inteligente de grafeno que responde a la humedad ambiental
13- Réplicas transparentes de diatomeas fabricadas con grafeno
14- Atención, pregunta: ¿El siliceno es una alternativa realista al grafeno?
15- Generan electricidad moviendo una gota líquida sobre grafeno.
Este programa es una reposición de dos anteriores.