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 codetección del neutrino con Clyde Cowan en el experimento de neutrinos . Puede 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]
Graduado del Instituto de Tecnología Stevens y de la Universidad de Nueva York , Reines se unió al Laboratorio de Los Álamos del Proyecto Manhattan en 1944, trabajando en la División Teórica del grupo de Richard Feynman . Se convirtió en líder de grupo allí en 1946. Participó en una serie de pruebas nucleares , que culminaron con su nombramiento como director de la serie de pruebas Operación Invernadero en el Pacífico en 1951.
A principios de la década de 1950, trabajando en los sitios de los ríos Hanford y Savannah , 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 del neutrino y interacciones, cuyo trabajo influiría en el estudio del neutrino para muchos investigadores futuros. 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 del mismo pueblo de Rusia, pero sólo se conocieron en la ciudad de Nueva York , donde luego se casaron. Tenía una hermana mayor, Paula, que se convirtió en doctora, y dos hermanos mayores, David y William, que se convirtieron en abogados. Dijo que su "educación temprana estuvo fuertemente influenciada" por sus hermanos estudiosos. Era sobrino nieto del rabino Itzjak Yaacov Reines , fundador de Mizraji , 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. Era un Eagle Scout . Mirando hacia atrás, Reines dijo: "Los recuerdos de mi primera infancia se centran en esta típica tienda rural estadounidense y la vida en una pequeña ciudad estadounidense, incluidas las celebraciones del Día de la Independencia en julio , marcadas por fuegos artificiales y música patriótica tocada desde un quiosco de música en el pabellón". [4]
Reines cantó en coro y como solista. Durante un tiempo consideró la posibilidad de una carrera como cantante y fue instruido por un entrenador vocal de la Metropolitan Opera que le daba lecciones de forma gratuita porque la familia no tenía dinero para ellas. [4] La familia se mudó más tarde a North Bergen, Nueva Jersey , residiendo 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 cual se graduó en 1935. [5]
Desde temprana edad, Reines mostró interés por la ciencia y le gustaba crear y construir cosas. Posteriormente 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 crepúsculo a través de una mano curvada para simular un telescopio , noté algo peculiar en la luz; fue el fenómeno de la difracción . Eso inició en mí una fascinación por la luz. [4]
Irónicamente, Reines se destacó en los cursos de literatura e historia, pero recibió calificaciones promedio o bajas en ciencias y matemáticas en su primer año de escuela secundaria, aunque mejoró en esas áreas en su tercer y último año gracias al estímulo de un maestro que le dio una llave del laboratorio de la escuela. Esto cultivó el amor por la ciencia en su último año. En respuesta a una pregunta a los estudiantes de último año sobre qué querían hacer para una cita del anuario, respondió: "Ser un físico extraordinario". [4]
Reines fue aceptado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts , pero prefirió asistir al Instituto Tecnológico Stevens en Hoboken, Nueva Jersey , donde obtuvo su título de Licenciado en Ciencias (BS) en ingeniería mecánica en 1939, y su Maestría en Ciencias (MS). Licenciado en física matemática en 1941, escribió 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. Allí estudió los rayos cósmicos con Serge A. Korff , [4] pero escribió su tesis bajo la supervisión de Richard D. Presente [3] sobre "La fisión nuclear y el modelo de gota de líquido 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 fue un aspecto importante de los cálculos de masa crítica . [3] En junio de 1946, se convirtió en líder de grupo, al frente del Grupo T-1 (Teoría del Dragón). Una consecuencia del experimento de " hacerle cosquillas a la cola del Dragón ", el Dragón era una máquina que podía alcanzar un estado crítico durante breves períodos de tiempo, que podía usarse como herramienta de investigación o fuente de energía. [8]
Reines participó en varias pruebas nucleares y redactó informes sobre sus resultados. Estos incluyeron 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 director de la serie de pruebas nucleares Operación Invernadero en el Pacífico. Fue entonces cuando se realizaron las primeras pruebas estadounidenses de armas de fisión potenciadas , 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 tallo de Mach, un aspecto importante de una onda expansiva de aire . [3] [4]
A pesar o quizás debido a su papel en estas pruebas nucleares, 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 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, según la cual los electrones emitidos por el núcleo se creaban mediante 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 existe una forma prácticamente posible 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 finalizar la serie de pruebas del invernadero, Reines había recibido permiso del jefe de la División T, J. Carson Mark , para un permiso de residencia para estudiar física fundamental. "Entonces, ¿por qué queríamos detectar el neutrino libre?" Más tarde explicó: "Porque todo el mundo decía que no se podía hacer". [13]
Según la teoría de Fermi, también hubo 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. Luego se dieron cuenta de que añadiendo sal de cadmio a su centelleador líquido mejorarían la reacción de captura de neutrones, lo que daría como resultado una explosión de rayos gamma de 9 MeV. [14] Como fuente de neutrinos, propusieron utilizar una bomba atómica. El permiso para ello se obtuvo 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 dejar caer el detector en el momento de la explosión en un agujero a 40 metros del lugar de la detonación "para captar el flujo al máximo"; se llamó "El Monstro". [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 menos intensa de neutrinos, tenía la ventaja de permitir realizar múltiples experimentos durante un largo período de tiempo. [3] [14] [15]
En 1953, hicieron sus primeros intentos utilizando uno de los grandes reactores del 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 ahora 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 más grandes de 700 MW en Savannah River Site que emitía un alto flujo de neutrinos de 1,2 x 10 12 / cm 2 seg. 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 enviar a Pauli un telegrama anunciando que se había encontrado el neutrino. [16] Cuando a Bethe le informaron 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 detección por primera vez 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 el atmósfera por rayos cósmicos . [14] Reines tenía una voz resonante y había sido cantante desde la infancia. Durante este tiempo, además de desempeñar sus funciones 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 la década de 1960, Reines construyó un detector en la mina de oro East Rand cerca de Johannesburgo , Sudáfrica. El sitio 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, el ingeniero August "Gus" Hruschka de Estados Unidos, [19] trabajaron junto con el físico sudafricano Friedel Sellschop de la Universidad de Witwatersrand . [3] El equipo se fabricó en el Case Institute y se transportaron desde Estados Unidos 20 toneladas de líquido de centelleo en 50 tanques de contención. 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 fue dirigido por estudiantes graduados de Reines, primero por William Kropp y luego por Henry Sobel. [19] El experimento se desarrolló 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 partió hacia 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 médicos , como por ejemplo para medir la radiación total entregada a todo el cuerpo humano en radioterapia . [18]
Reines se había preparado para la posibilidad de medir los eventos distantes de una explosión de supernova. Las explosiones de supernovas son raras, pero Reines pensó que podría tener la suerte de ver una en su vida y poder captar los neutrinos que emanan de ella en sus detectores especialmente diseñados. Mientras esperaba que explotara una supernova, colocó señales en algunos de sus grandes detectores de neutrinos, llamándolos "Sistemas de alerta temprana de supernovas". [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 sólo unos pocos eventos de fondo cada día. La supernova registró 19 eventos en sólo diez segundos. [13] Se considera que este descubrimiento inaugura el campo de la astronomía de neutrinos . [2]
En 1995, Reines recibió, junto con Martin L. Perl, el Premio Nobel de Física por su trabajo con Cowan en la detección por primera vez del neutrino. Desgraciadamente, Cowan murió en 1974 y el Premio Nobel no se concede de forma póstuma. [17] Reines también recibió muchos otros premios, incluido el Premio en Memoria de 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 de Ciencias de Rusia en 1994. [3] Permaneció 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 Irvine de la Universidad de California en Orange, California , [1] el 26 de agosto de 1998. [3] Le sobrevivieron su esposa e hijos. [1] Sus artículos están recopilados 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 Informe Los Alamos LAMS-2532
