Frederick Reines ( / ˈr aɪ n ə s / RY -nəs ; [1] 16 de marzo de 1918 - 26 de agosto de 1998) fue un físico estadounidense . Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1995 por su detección conjunta del neutrino con Clyde Cowan en el experimento del neutrino . Es posible que sea el único científico de la historia «tan íntimamente asociado con el descubrimiento de una partícula elemental y la posterior investigación exhaustiva de sus propiedades fundamentales». [2]
Reines , graduado del Instituto Tecnológico Stevens y de la Universidad de Nueva York , se incorporó al Laboratorio de Los Álamos del Proyecto Manhattan en 1944, trabajando en la División Teórica del grupo de Richard Feynman . Se convirtió en líder del grupo allí en 1946. Participó en una serie de pruebas nucleares , que culminaron con su nombramiento como director de la serie de pruebas de la Operación Invernadero en el Pacífico en 1951.
A principios de los años 50, mientras trabajaban en Hanford y Savannah River Sites , Reines y Cowan desarrollaron el equipo y los procedimientos con los que detectaron por primera vez los neutrinos supuestamente indetectables en junio de 1956. Reines dedicó la mayor parte de su carrera al estudio de las propiedades e interacciones de los neutrinos, trabajo que influiría en el estudio de los neutrinos para muchos investigadores posteriores. Esto incluyó la detección de neutrinos creados en la atmósfera por rayos cósmicos y la detección en 1987 de neutrinos emitidos por la supernova SN1987A , que inauguró el campo de la astronomía de neutrinos .
Frederick Reines nació en Paterson, Nueva Jersey , uno de los cuatro hijos de Gussie (Cohen) e Israel Reines. Sus padres eran emigrantes judíos de la misma ciudad en Rusia, pero solo se conocieron en la ciudad de Nueva York , donde más tarde se casaron. Tenía una hermana mayor, Paula, que se convirtió en médica, y dos hermanos mayores, David y William, que se convirtieron en abogados. Dijo que su "educación temprana estuvo fuertemente influenciada" por sus estudiosos hermanos. Era el sobrino nieto del rabino Yitzchak Yaacov Reines , el fundador de Mizrachi , un movimiento religioso sionista . [3]
La familia se mudó a Hillburn, Nueva York , donde su padre dirigía la tienda general , y pasó gran parte de su infancia. Fue un Eagle Scout . Al mirar atrás, Reines dijo: "Mis primeros recuerdos de la infancia se centran en esta típica tienda de campo estadounidense y la vida en un pequeño pueblo estadounidense, incluidas las celebraciones del Día de la Independencia en julio marcadas por fuegos artificiales y música patriótica tocada desde un quiosco de música". [4]
Reines cantó en un coro y como solista. Durante un tiempo consideró la posibilidad de una carrera como cantante y recibió clases de un entrenador vocal de la Metropolitan Opera, que le dio clases gratis porque la familia no tenía dinero para ellas. [4] La familia se mudó más tarde a North Bergen, Nueva Jersey , y residió en Kennedy Boulevard y 57th Street. Debido a que North Bergen no tenía una escuela secundaria, [5] asistió a Union Hill High School en Union Hill, Nueva Jersey (hoy Union City, Nueva Jersey ), [4] [5] de la que se graduó en 1935. [5]
Desde muy temprana edad, Reines mostró interés por la ciencia y le gustaba crear y construir cosas. Más tarde recordó que:
Los primeros indicios de interés por la ciencia que recuerdo se produjeron durante un momento de aburrimiento en la escuela religiosa, cuando, mirando por la ventana al anochecer a través de una mano curvada para simular un telescopio , noté algo peculiar en la luz: era el fenómeno de la difracción . Eso dio inicio a mi fascinación por la luz. [4]
Irónicamente, Reines se destacó en las asignaturas de literatura e historia, pero obtuvo calificaciones promedio o bajas en ciencias y matemáticas en su primer año de secundaria, aunque mejoró en esas áreas en su tercer y cuarto año gracias al estímulo de un maestro que le dio una llave del laboratorio de la escuela. Esto cultivó su amor por la ciencia en su último año. En respuesta a una pregunta que se les hizo a los estudiantes de último año sobre qué querían hacer como cita para el anuario, respondió: "Ser un físico extraordinario". [4]
Reines fue aceptado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts , pero eligió en su lugar asistir al Instituto Tecnológico Stevens en Hoboken, Nueva Jersey , donde obtuvo su licenciatura en Ciencias (BS) en ingeniería mecánica en 1939, y su maestría en Ciencias (MS) en física matemática en 1941, escribiendo una tesis sobre "Una revisión crítica de la teoría de la difracción óptica". [3] Se casó con Sylvia Samuels el 30 de agosto de 1940. [3] Tuvieron dos hijos, Robert y Alisa. [4] Luego ingresó a la Universidad de Nueva York , donde obtuvo su Doctorado en Filosofía (Ph.D.) en 1944. Estudió rayos cósmicos allí con Serge A. Korff , [4] pero escribió su tesis bajo la supervisión de Richard D. Present [3] sobre "Fisión nuclear y el modelo de gota líquida del núcleo". [6] La publicación de la tesis se retrasó hasta después del final de la Segunda Guerra Mundial ; Apareció en Physical Review en 1946. [3] [7]
En 1944, Richard Feynman reclutó a Reines para trabajar en la División Teórica del Laboratorio de Los Álamos del Proyecto Manhattan , donde permanecería durante los siguientes quince años. [4] Se unió al Grupo T-4 (Problemas de Difusión) de Feynman, que formaba parte de la División T (Teórica) de Hans Bethe . La difusión era un aspecto importante de los cálculos de masa crítica . [3] En junio de 1946, se convirtió en líder de grupo, encabezando el Grupo T-1 (Teoría del Dragón). Un resultado del experimento de " hacerle cosquillas a la cola del Dragón ", el Dragón era una máquina que podía alcanzar un estado crítico durante breves ráfagas de tiempo, que podían usarse como herramienta de investigación o fuente de energía. [8]
Reines participó en una serie de pruebas nucleares y redactó informes sobre sus resultados. Entre ellas se encuentran la Operación Crossroads en el atolón Bikini en 1946, la Operación Sandstone en el atolón Eniwetok en 1948 y la Operación Ranger y la Operación Buster-Jangle en el sitio de pruebas de Nevada . En 1951 fue el director de la serie de pruebas nucleares Operación Greenhouse en el Pacífico. En ella se realizaron las primeras pruebas estadounidenses de armas de fisión impulsadas , un paso importante hacia las armas termonucleares . Estudió los efectos de las explosiones nucleares y fue coautor de un artículo con John von Neumann sobre la formación del tronco de Mach, un aspecto importante de una onda expansiva de aire . [3] [4]
A pesar de su papel en estas pruebas nucleares, o quizás debido a ello, Reines estaba preocupado por los peligros de la contaminación radiactiva de las pruebas nucleares atmosféricas y se convirtió en un defensor de las pruebas nucleares subterráneas . A raíz de la crisis del Sputnik , participó en el Proyecto 137 de John Archibald Wheeler , que evolucionó hasta convertirse en JASON . También fue delegado en la Conferencia de Átomos para la Paz en Ginebra en 1958. [3] [4]
El neutrino es una partícula subatómica propuesta por primera vez por Wolfgang Pauli el 4 de diciembre de 1930. La partícula era necesaria para resolver el problema de la energía faltante en las observaciones de la desintegración beta , cuando un neutrón se desintegra en un protón y un electrón . La nueva partícula hipotética era necesaria para preservar la ley fundamental de conservación de la energía . Enrico Fermi lo rebautizó como neutrino , que en italiano significa "pequeño neutro", [9] y en 1934 propuso su teoría de la desintegración beta por la cual los electrones emitidos desde el núcleo eran creados por la desintegración de un neutrón en un protón, un electrón y un neutrino: [10] [11]
El neutrino explicaba la energía faltante, pero la teoría de Fermi describía una partícula con poca masa y sin carga eléctrica que parecía imposible de observar directamente. En un artículo de 1934, Rudolf Peierls y Hans Bethe calcularon que los neutrinos podrían atravesar fácilmente la Tierra y concluyeron que "no hay forma práctica de observar el neutrino". [12]
En 1951, Reines y su colega Clyde Cowan decidieron ver si podían detectar neutrinos y así demostrar su existencia. Al concluir la serie de pruebas de Greenhouse, Reines había recibido permiso del jefe de la División T, J. Carson Mark , para realizar una estancia en la universidad para estudiar física fundamental. "Entonces, ¿por qué queríamos detectar el neutrino libre?", explicó más tarde, "porque todo el mundo decía que no se podía hacer". [13]
Según la teoría de Fermi, también había una reacción inversa correspondiente, en la que un neutrino se combina con un protón para crear un neutrón y un positrón : [13]
El positrón pronto sería aniquilado por un electrón y produciría dos rayos gamma de 0,51 MeV , mientras que el neutrón sería capturado por un protón y liberaría un rayo gamma de 2,2 MeV. Esto produciría una firma distintiva que podría detectarse. Entonces se dieron cuenta de que al agregar sal de cadmio a su centelleador líquido mejorarían la reacción de captura de neutrones, lo que daría como resultado una explosión de rayos gamma con una energía total de 9 MeV. [14] Para una fuente de neutrinos, propusieron usar una bomba atómica. Se obtuvo permiso para esto del director del laboratorio, Norris Bradbury . El plan era detonar una "bomba nuclear de 20 kilotones, comparable a la lanzada sobre Hiroshima, Japón". Se propuso que el detector se lanzara en el momento de la explosión en un agujero a 40 metros del lugar de la detonación "para atrapar el flujo en su máximo"; se lo llamó "El Monstruo". [15] El trabajo de excavación de un pozo para el experimento comenzó cuando JMB Kellogg los convenció de utilizar un reactor nuclear en lugar de una bomba. Aunque era una fuente de neutrinos menos intensa, tenía la ventaja de permitir la realización de múltiples experimentos durante un largo período de tiempo. [3] [14] [15]
En 1953, hicieron sus primeros intentos utilizando uno de los grandes reactores en el sitio nuclear de Hanford en lo que ahora se conoce como el experimento de neutrinos Cowan-Reines ; llamaron al experimento "Proyecto Poltergeist". [15] Su detector incluía 300 litros (66 imp gal; 79 US gal) de fluido centelleante y 90 tubos fotomultiplicadores , pero el esfuerzo se vio frustrado por el ruido de fondo de los rayos cósmicos. Con el apoyo de John A. Wheeler , lo intentaron de nuevo en 1955, esta vez utilizando uno de los reactores más nuevos y grandes de 700 MW en el sitio de Savannah River que emitía un alto flujo de neutrinos de 1,2 x 10 12 / cm 2 s. También tenían una ubicación conveniente y bien protegida a 11 metros (36 pies) del reactor y 12 metros (39 pies) bajo tierra. [13] El 14 de junio de 1956, pudieron enviarle a Pauli un telegrama anunciándole que se había encontrado el neutrino. [16] Cuando le informaron a Bethe que se había demostrado que estaba equivocado, dijo: "Bueno, no deberías creer todo lo que lees en los periódicos". [13]
A partir de entonces, Reines dedicó la mayor parte de su carrera al estudio de las propiedades e interacciones del neutrino, trabajo que influiría en el estudio del neutrino para futuros investigadores. [17] Cowan dejó Los Álamos en 1957 para enseñar en la Universidad George Washington , poniendo fin a su colaboración. [3] Sobre la base de su trabajo en la primera detección del neutrino , Reines se convirtió en el jefe del departamento de física de la Universidad Case Western Reserve de 1959 a 1966. En Case, dirigió un grupo que fue el primero en detectar neutrinos creados en la atmósfera por rayos cósmicos . [14] Reines tenía una voz resonante y había sido cantante desde la infancia. Durante este tiempo, además de realizar sus tareas como supervisor de investigación y presidente del departamento de física, Reines cantó en el Coro de la Orquesta de Cleveland bajo la dirección de Robert Shaw en actuaciones con George Szell y la Orquesta de Cleveland . [18]
A principios de los años 1960, Reines construyó un detector en la mina de oro East Rand, cerca de Johannesburgo , Sudáfrica. El lugar fue elegido por su profundidad, 3,5 km; [15] el 23 de febrero de 1965, el nuevo detector capturó sus primeros neutrinos atmosféricos. Reines trajo a sus amigos, un ingeniero estadounidense llamado August "Gus" Hruschka, [19] trabajaron junto con el físico sudafricano Friedel Sellschop de la Universidad de Witwatersrand . [3] El equipo se fabricó en el Instituto Case , y se transportaron 20 toneladas de fluido de centelleo en 50 tanques de contención desde los EE. UU. La decisión de trabajar en un país racista del apartheid fue cuestionada por muchos colegas de Reines, él mismo dijo que "la ciencia trascendía la política". [15] El equipo de laboratorio en la mina estaba dirigido por estudiantes de posgrado de Reines, primero por William Kropp y luego por Henry Sobel. [19] El experimento funcionó desde 1963 y se cerró en 1971, y capturó 167 eventos de neutrinos. [3]
En 1966, Reines se llevó consigo a la mayor parte de su equipo de investigación de neutrinos cuando se fue a la nueva Universidad de California, Irvine (UCI), convirtiéndose en su primer decano de ciencias físicas. En la UCI, Reines amplió los intereses de investigación de algunos de sus estudiantes de posgrado al desarrollo de detectores de radiación médica , como los utilizados para medir la radiación total suministrada a todo el cuerpo humano en la radioterapia . [18]
Reines se había preparado para la posibilidad de medir los eventos distantes de una explosión de supernova. Las explosiones de supernova son raras, pero Reines pensó que podría tener la suerte de ver una en su vida y poder captar los neutrinos que emanaban de ella en sus detectores especialmente diseñados. Mientras esperaba a que explotara una supernova, colocó señales en algunos de sus grandes detectores de neutrinos, llamándolos "Sistemas de alerta temprana de supernova". [18] En 1987, los neutrinos emitidos por la supernova SN1987A fueron detectados por la Colaboración Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), que utilizó un detector Cherenkov de 8.000 toneladas ubicado en una mina de sal cerca de Cleveland . [2] Normalmente, los detectores registraban solo unos pocos eventos de fondo cada día. La supernova registró 19 eventos en solo diez segundos. [13] Este descubrimiento se considera el que inauguró el campo de la astronomía de neutrinos . [2]
En 1995 Reines fue galardonado, junto con Martin L. Perl , con el Premio Nobel de Física por su trabajo con Cowan en la detección del neutrino. Desafortunadamente, Cowan había fallecido en 1974 y el Premio Nobel no se otorga póstumamente. [17] Reines también recibió muchos otros premios, incluyendo el Premio Memorial J. Robert Oppenheimer en 1981, [20] la Medalla Nacional de Ciencias en 1985, el Premio Bruno Rossi en 1989, el Premio Michelson-Morley en 1990, el Premio Panofsky en 1992, y la Medalla Franklin en 1992. Fue elegido miembro de la Academia Nacional de Ciencias en 1980 y miembro extranjero de la Academia Rusa de Ciencias en 1994. [3] Siguió siendo decano de ciencias físicas en la UCI hasta 1974, y se convirtió en profesor emérito en 1988, pero continuó enseñando hasta 1991, y permaneció en la facultad de la UCI hasta su muerte. [21]
Reines murió después de una larga enfermedad en el Centro Médico de la Universidad de California, Irvine, en Orange, California , [1] el 26 de agosto de 1998. [3] Le sobrevivieron su esposa e hijos. [1] Sus documentos están compilados en las Bibliotecas de la UCI. [22] Frederick Reines Hall, que alberga el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California, Irvine, fue nombrado en su honor. [23]
Conferencia del Premio Nobel
Publicado originalmente como Los Alamos Report LAMS-2532
