El problema de los neutrinos solares se refería a una gran discrepancia entre el flujo de neutrinos solares predicho a partir de la luminosidad del Sol y medido directamente. La discrepancia se observó por primera vez a mediados de la década de 1960 y se resolvió alrededor de 2002.
El flujo de neutrinos en la Tierra es de varias decenas de miles de millones por centímetro cuadrado por segundo, principalmente desde el núcleo del Sol . Sin embargo, son difíciles de detectar porque interactúan muy débilmente con la materia y atraviesan toda la Tierra . De los tres tipos ( sabores ) de neutrinos conocidos en el Modelo Estándar de física de partículas , el Sol produce sólo neutrinos electrónicos . Cuando los detectores de neutrinos se volvieron lo suficientemente sensibles como para medir el flujo de neutrinos electrónicos procedentes del Sol, el número detectado fue mucho menor de lo previsto. En varios experimentos, el déficit numérico estuvo entre la mitad y dos tercios.
Los físicos de partículas sabían que un mecanismo, discutido en 1957 por Bruno Pontecorvo , podría explicar el déficit de neutrinos electrónicos. [1] Sin embargo, dudaron en aceptarlo por varias razones, incluido el hecho de que requería una modificación del Modelo Estándar aceptado. En primer lugar, señalaron el modelo solar para su adaptación, lo cual fue descartado. Hoy en día se acepta que los neutrinos producidos en el Sol no son partículas sin masa como predice el modelo estándar, sino más bien estados cuánticos mixtos formados por estados propios de masa definida en proporciones diferentes ( complejas ). Eso permite que un neutrino producido como un neutrino electrónico puro cambie durante la propagación a una mezcla de neutrinos electrónicos, muones y tau, con una probabilidad reducida de ser detectado por un detector sensible solo a neutrinos electrónicos.
Varios detectores de neutrinos que apuntan a diferentes sabores, energías y distancias recorridas contribuyeron a nuestro conocimiento actual sobre los neutrinos. En 2002 y 2015, un total de cuatro investigadores relacionados con algunos de estos detectores fueron galardonados con el Premio Nobel de Física .
El Sol realiza la fusión nuclear mediante la reacción en cadena protón-protón , que convierte cuatro protones en partículas alfa , neutrinos , positrones y energía. Esta energía se libera en forma de radiación electromagnética, como rayos gamma , así como en forma de energía cinética tanto de las partículas cargadas como de los neutrinos. Los neutrinos viajan desde el núcleo del Sol hasta la Tierra sin ninguna absorción apreciable por parte de las capas exteriores del Sol.
A finales de la década de 1960, el experimento Homestake de Ray Davis y John N. Bahcall fue el primero en medir el flujo de neutrinos procedentes del Sol y detectar un déficit. El experimento utilizó un detector a base de cloro . Muchos detectores Cherenkov radioquímicos y de agua posteriores confirmaron el déficit, incluidos el Observatorio Kamioka y el Observatorio de Neutrinos de Sudbury .
El número esperado de neutrinos solares se calculó utilizando el modelo solar estándar , que Bahcall había ayudado a establecer. El modelo da cuenta detallada del funcionamiento interno del Sol.
En 2002, Ray Davis y Masatoshi Koshiba ganaron parte del Premio Nobel de Física por un trabajo experimental que encontró que el número de neutrinos solares era aproximadamente un tercio del número predicho por el modelo solar estándar. [2]
En reconocimiento a las sólidas pruebas proporcionadas por los experimentos de 1998 y 2001 "sobre la oscilación de neutrinos", Takaaki Kajita del Observatorio Super-Kamiokande y Arthur McDonald del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) recibieron el Premio Nobel de Física 2015 . [3] [4] Sin embargo, el Comité Nobel de Física se equivocó al mencionar las oscilaciones de neutrinos en relación con el experimento SNO: para los neutrinos solares de alta energía observados en ese experimento, no se trata de oscilaciones de neutrinos, sino de Mikheyev-Smirnov. –Efecto Wolfenstein . [5] [6] Bruno Pontecorvo no fue incluido en estos premios Nobel desde que murió en 1993.
Los primeros intentos de explicar la discrepancia propusieron que los modelos del Sol estaban equivocados, es decir, la temperatura y la presión en el interior del Sol eran sustancialmente diferentes de lo que se creía. Por ejemplo, dado que los neutrinos miden la cantidad de fusión nuclear actual, se sugirió que los procesos nucleares en el núcleo del Sol podrían haberse detenido temporalmente. Dado que se necesitan miles de años para que la energía térmica se desplace desde el núcleo a la superficie del Sol, esto no sería evidente de inmediato.
Los avances en las observaciones de heliosismología permitieron inferir las temperaturas interiores del Sol; Estos resultados coincidieron con el modelo solar estándar bien establecido . Las observaciones detalladas del espectro de neutrinos desde observatorios de neutrinos más avanzados produjeron resultados que ningún ajuste del modelo solar podría acomodar: mientras que el menor flujo general de neutrinos (que los resultados del experimento Homestake encontraron) requirió una reducción en la temperatura del núcleo solar, los detalles en la energía El espectro de los neutrinos requería una temperatura central más alta . Esto sucede porque diferentes reacciones nucleares, cuyas velocidades dependen diferente de la temperatura, producen neutrinos con diferente energía. Cualquier ajuste al modelo solar empeoró al menos un aspecto de las discrepancias. [7]
El problema de los neutrinos solares se resolvió con una mejor comprensión de las propiedades de los neutrinos. Según el modelo estándar de física de partículas, hay tres tipos de neutrinos: neutrinos electrónicos , neutrinos muónicos y neutrinos tau . Los neutrinos electrónicos son los que se producen en el Sol y los que se detectan en los experimentos antes mencionados, en particular el experimento con detector de cloro de la mina Homestake.
Durante la década de 1970, se creía ampliamente que los neutrinos no tenían masa y sus sabores eran invariantes. Sin embargo, en 1968 Pontecorvo propuso que si los neutrinos tuvieran masa, entonces podrían cambiar de un sabor a otro. [8] Por lo tanto, los neutrinos solares "faltantes" podrían ser neutrinos electrónicos que cambiaron a otros sabores en el camino a la Tierra, volviéndolos invisibles para los detectores de la mina Homestake y los observatorios de neutrinos contemporáneos.
La supernova 1987A indicó que los neutrinos podrían tener masa debido a la diferencia en el tiempo de llegada de los neutrinos detectados en Kamiokande e IMB . [9] Sin embargo, debido a que se detectaron muy pocos eventos de neutrinos, fue difícil sacar conclusiones con certeza. Si Kamiokande e IMB hubieran tenido cronómetros de alta precisión para medir el tiempo de viaje del neutrino a través de la Tierra, podrían haber establecido de manera más definitiva si los neutrinos tenían masa o no. Si los neutrinos no tuvieran masa, viajarían a la velocidad de la luz; si tuvieran masa, viajarían a velocidades ligeramente menores que la de la luz. Como los detectores no estaban destinados a la detección de neutrinos de supernovas , esto no se pudo hacer.
En 1998, la colaboración Super-Kamiokande en Japón proporcionó pruebas contundentes de la oscilación de neutrinos . [10] Produjo observaciones consistentes con neutrinos muónicos (producidos en la atmósfera superior por rayos cósmicos ) transformándose en neutrinos tau dentro de la Tierra: se detectaron menos neutrinos atmosféricos atravesando la Tierra que directamente desde encima del detector. Estas observaciones sólo se referían a neutrinos muónicos. No se observaron neutrinos tau en Super-Kamiokande. Sin embargo, el resultado hizo más plausible que el déficit de neutrinos con sabor electrónico observado en el experimento de Homestake (de energía relativamente baja) también tuviera que ver con la masa del neutrino.
Un año después, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) comenzó a recopilar datos. Ese experimento tuvo como objetivo los neutrinos solares 8 B, que a alrededor de 10 MeV no se ven muy afectados por la oscilación tanto en el Sol como en la Tierra. Sin embargo, se espera un gran déficit debido al efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein, como lo calculó Alexei Smirnov en 1985. Herb Chen propuso el diseño único de SNO que emplea una gran cantidad de agua pesada como medio de detección , también en 1985 . 11] SNO observó neutrinos electrónicos, específicamente, y todos los tipos de neutrinos, colectivamente, de ahí la fracción de neutrinos electrónicos. [12] Después de un extenso análisis estadístico, la colaboración de SNO determinó que esa fracción era aproximadamente del 34%, [13] en perfecto acuerdo con la predicción. El número total de neutrinos 8 B detectados también concuerda con las predicciones aproximadas del modelo solar. [14]