HADRONICA - Grupo de Física Nuclear y Hadrónica. Universidad de Granada

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Los antineutrinos y los piones danzantes

 

En PHYSICAL REVIEW LETTERS

Meson-exchange currents and quasielastic antineutrino cross sections in the SuperScaling Approximation

Abstract en Physical review Letters

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SE ENCUENTRAN IMPORTANTES DIFERENCIAS ENTRE  ANTINEUTRINOS Y NEUTRINOS AL INTERACCIONAR CON LA MATERIA, DEBIDO A LA INFLUENCIA DE LOS PIONES VIRTUALES

Según nuestros cálculos teóricos, un gran porcentaje de los antineutrinos que interactúan con los núcleos atómicos se acopla a los piones virtuales de intercambio, produciendo verdaderas carambolas cuánticas en el interior del núcleo.

En los medios de comunicación se está hablando mucho de los neutrinos y el bosón de Higgs, debido a los últimos y excitantes experimentos que se están llevando a cabo,  y otras muchas estimulantes investigaciones teóricas, cuyo propósito es desvelar los secretos sobre las interacciones fundamentales, la estructura de la materia y el espacio, y el origen del universo. En este trabajo reportamos nuestras últimas investigaciones sobre la interacción de los antineutrinos con la materia, es decir, con los núcleos atómicos.

El trabajo es fruto de la colaboración de HADRONICA con el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT),  La Universidad de Turín y la Universidad de Sevilla.

Por José Enrique Amaro, Maria Barbaro, Juan A. Caballero y T. William Donnelly.

 

Los neutrinos rara vez interaccionan. Atraviesan la materia sin chocar ni ser capturados. Los neutrinos cósmicos viajan de un extremo a otro del universo atravesando todo lo que se encuentran a su paso, incluso planetas enteros, portando valiosa información sobre el universo primigenio que ahora los científicos se afanan en extraer, si es que son capaces de atraparlos.

En el improbable caso en que un neutrino de alta energía interaccione con la materia, es que ha chocado con un núcleo atómico y le ha comunicado algo de su energía. Por alta energía entendemos que el neutrino tiene energía suficiente para romper el núcleo. Lo más probable es que el neutrino arranque un protón, pero podrían emitirse otras partículas, como neutrones y piones (el pión es el tipo más ligero de las partículas llamadas mesones). Si el neutrino arranca un sólo protón,  se dice que ha sufrido una reacción cuasielástica.

En un reciente experimento de MiniBooNE se ha conseguido realizar una completa medición de los neutrinos que sufren una reacción cuasielástica, lo que ha permitido elaborar un detallado mapa de dicha reacción que es posible comparar con las predicciones realizadas por los físicos teóricos.   Hasta ahora estos datos están más o menos de acuerdo con lo que sabemos de Física Nuclear por medio de otros experimentos, por ejemplo mediante experimentos en aceleradores de electrones o de protones.

Recordemos que existen tres tipos de neutrinos, correspondientes a las tres familias de los leptones: electrón, muón y tau.  En el experimento de MiniBooNE los neutrones incidentes son de tipo muónico, por lo que la reacción cualielástica a que dan lugar es:

neutrino + neutron  -- >  muon + proton

Es decir, el neutrino se convierte en muón y le comunica  energía a un neutrón, que se convierte en protón y es expulsado del núcleo. La probabilidad de que esto ocurra depende del número de neutrones que haya en el núcleo y de su distribución. La Física Nuclear se ocupa de determinar la distribución de neutrones y protones en el interior núcleo. Esta distribución está determinada por la fuerza nuclear o interacción fuerte, entre protones y neutrones, que es la responsable de la existencia de los núcleos y, por consiguiente, de la estabilidad de la materia.

Ahora bien, sabemos que en la interacción fuerte los protones y neutrones interaccionan por medio de campos cuánticos, que en cierto régimen se pueden representar mediante intercambio de piones. Los piones son las partículas más ligeras de la familia de los mesones y fueron predichas por Hideki Yukawa en su teoría de la interacción fuerte,  por lo que recibió el premio Nobel en 1949. Los piones que hay en el interior del núcleo aparecen y desaparecen, siendo continuamente emitidos y absorbidos por los protones y neutrones, en un "baile" continuo. En la jerga de los Físicos Cuánticos, se dice que son piones virtuales de intercambio.

En el presente  trabajo hemos comprobado teóricamente que en una reacción cuasielástica, es muy  posible que un antineutrino se encuentre en vuelo con uno de estos piones "danzantes". Cuando esto ocurre, el antineutrino le comunica  energía al pion, y este pion es posteriormente absorbido por otro protón o neutrón, comunicándole su energía y expulsándolo del núcleo. El resultado es una reacción  entre tres partículas mediante lo que se denomina una corriente de intercambio.  Como consecuencia, son dos, y no una,  las partículas que abandonan el núcleo, por ejemplo un protón y un neutrón.  La interacción es como una carambola entre bolas de billar, donde un antineutrino choca contra un pion, que posteriormente choca contra un protón. La frecuencia de esta carambola cuántica es pequeña (menor del 10% de los sucesos) en el caso de que los proyectiles sean neutrinos, en donde lo más frecuente es que el neutrino choque directamente contra un neutrón.

Pero el caso de los antineutrinos es otro cantar, ya que, según esta investigación,  las carambolas se producen con una gran frecuencia, que puede alcanzar el 50% de los sucesos. Por lo tanto, la existencia de los piones virtuales es esencial para describir la interacción de los antineutrinos con la materia. Estas predicciones están siendo contrastadas con los últimos experimentos de antineutrinos por los físicos de MiniBooNE.

La razón teórica  de esta diferencia sustancial entre neutrinos y antineutrinos se debe a una propiedad de los neutrinos denominada helicidad. La helicidad de un neutrino es -1, mientras que la del antineutrino es +1. Esta diferencia de signo es responsable de una interferencia cuántica que se produce en el caso de los antineutrinos, pero no para los neutrinos.


Leer la primera versión del artículo en arxiv.org:

Meson-exchange currents and quasielastic antineutrino cross sections in the SuperScaling Approximation

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