Neutrons i neutrins

Els neutrons lliures són inestables. Encara que pugui semblar sorprenent, tenen una semivida de 15 minuts. Quina importància pot tenir això? Com és possible que els neutrons siguin inestables i, no obstant això, existeixin de manera estable dins dels nuclis atòmics?

[@more@]

Respecte la importància d’aquests 15 minuts de
semivida és decisiva per a la vida tal com la coneixem. Al no tenir
càrrega elèctrica poden moure’s molt més fàcilment que els protons. Si
no fos per això podríem arribar a tenir una gran quantitat de neutrons
que interaccionaría amb l’home alterant els elements químics dels quals
estem compostos, induirien reaccions nuclears canviant els àtoms allà
continguts. En resum: mutacions, càncer, etc. Respecte la segona
qüestió, l’estabilitat dins dels nuclis, té explicació gràcies al
Principi d’Exclusió de Pauli que deixarem per a una altra història.

El neutró va ser descobert per James Chadwick l’any 1932. És molt
semblant al protó en massa. De fet, té 1,00014 vegades la del protó.
Nuclearment els neutrons i els protons són molt semblants. Els físics
diuen a totes dues partícules pel mateix nom: nucleons.

Doncs bé, passats aquests 15 minuts de semivida i en virtut de la
força feble, anomenada així per ser molt més feble que
l’electromagnètica, decau en un protó, un electró i un neutrí (no és
exactament així, però de moment, podem obviar el detall). La força
feble té un abast de l’ordre de 10-16 cm, és a dir, unes 1000 vegades més petit que la força nuclear fort que és de l’ordre de 10-13 cm. A aquest procés se li llama desintegració beta.

Quan es va començar a estudiar la radioactivitat, aquest fenomen
s’estudiava en els interiors dels nuclis i detectaven aquest electró
sortint. No obstant això, havia una cosa que no quadrava. A la
desintegració alfa, les partícules que es desprenien tenien energies
molt ben definides, però en la desintegració beta les energies
d’aquests electrons tenien valors molt dispersos. A més de l’esmentada
disparitat, les equacions deien que faltava una pila d’energia que no
se sabia on anava. Això va tenir als físics de l’època bastant ocupats.

Bohr va arribar a afirmar que la llei de conservació de l’energia
podia no complir-se en les emissions beta, però Pauli va afirmar que
era possible que hagués una altra partícula difícilment detectable que
se l’estava portant. Aquesta hipotètica partícula havia de ser neutra i
en cas de tenir massa, seria realment poca. Una partícula molt
esmunyedissa, tant que seria gairebé indetectable. A aquests lladregots
d’energia Pauli els va donar el nom de neutrons (igual que els que
coneixem) i amb aquest nom van aparèixer a una revista científica. Tot
això succeïa allà per l’any 1930.

Després del descobriment dels neutrons (els autèntics, els de
Chadwick i no aquests lladregots), Enrico Fermi va exposar als seus
alumnes aquestes noves partícules. Un dels oients li va preguntar si
els neutrons de Chadwick eren les mimes partícules de les quals parlava
Pauli. La resposta va ser:

"No, le neutrone di Chadwick sonno grande. Le neutrone di Pauli erano piccole; egli devono star chiamato neutrini".

I aquest va ser el nom que va quedar a aquestes partícules: neutrins.

Gairebé no interaccionen amb la matèria. Només ho fan amb els
nuclis en virtut de la força feble, és a dir, ni elèctrica ni
magnèticament i dels seus efectes gravitatoris a aquesta escala podem
oblidar-nos. Per si no n’hi hagués prou us record que els nuclis són
molt petits al costat de l’àtom per la qual cosa la interacció encara
és més improbable. Recordeu com eren de petits els nuclis: si un àtom
fora de la mida d’un autobús, el nucli atòmic seria com el punt
d’aquesta i. Conclusió: són molt difícils de detectar.

Una altra dada per fer-vos notar la dificultat en la seva detecció. Si
poséssim una paret d’un gruix d’un any llum de plom i llencéssim a
través d’ella un feix d’aquestes partícules la meitat d’elles la
travessarien com si no hagués tal paret. Ja no parlem del que els costa
travessar una minúcia com la Terra, una persona o un detector.

Però clar, si tenim un succés que es dóna amb probabilitat molt
baixa, el que hem de fer és que es doni moltes vegades. Igual que si
volguéssim incrementar la probabilitat que ens toqués la loteria
tindríem comprar més i més números, l’única manera de poder
detectar-los és tenir intenses fonts de neutrins a prop i així
augmentar la probabilitat d’interacció.

En 1955, Fred Regnis i Clyd Cowan, del Laboratori Científic de Los
Alamos van instal·lar fora dels murs d’un reactor nuclear (que sabien
que era una intensíssima font de neutrins) una gran vas plena
d’hidrogen amb comptadors per tot arreu. Esperaven la reacció neutrí +
protó -> neutró + positró (el positró és un electró però amb càrrega
positiva). Van obtenir vàries deteccions per minut fins que el reactor
va ser tanct. El neutrí havia estat detectat. Més tard, es va estudiar
tot el tema més a fons i es van aconseguir altres mètodes per a la seva
detecció com el clor (una reacció així és capaç de transformar el clor
en argó radioactiu, així que només hem de buscar aquesta radioactivitat
de l’argó).

Però pot ser que el succés més espectacular en relació amb els
neutrins succeís la nit del 23 al 24 de febrer de 1987. Un dels
ajudants d’astrònom va sortir a l’exterior de l’observatori astronòmic
de Les Campanes, als andes xilens i mirant al cel va veure que en la
Gran Núvol de Magallanes havia una estrella que brillava més de
l’habitual. Es tractava d’una supernova.

En l’altre costat de la Terra, en una mina de zinc abandonada del
Japó s’estava fent un experiment per veure si el protó no té vida
eterna. Per a això s’havia omplert un dipòsit amb 3000 tones d’aigua
pesada extraordinàriament pura per poder detectar espurnes de llum
gràcies als seus 13.000 tubs fotomultiplicadores. L’esmentada mina
estava a 3.300 metres de profunditat, en la mina de Kamioka. D’aquí el
nom d’aquest artefacte: súper-kamiokande.

Doncs bé, aquell dia els seus detectors es van disparar
inesperadament 12 vegades. Simultàniament, un altre detector situat en
una mina de sal prop de Faiport, Ohio; es va disparar, també
inesperadament, 8 vegades i un tercer detector situat sota la muntanya
Andyrchi, en el Caucas, va registrar 5 successos. Fixeu-vos que estem
parlant dels efectes d ‘una mateixa explosió d’una estrella amb
diverses vegades la massa del nostre Sol que havia mort feia 170.000
anys. Aquell dia ens va arribar la notícia. En aquella explosió es van
produir 10 bilions de trilions (1031) neutrins. Només es van detectar els 25 citats.

Amb aquest experiment de la supernova es va poder delimitar la
massa del neutrí gràcies al retard que van arribar respecte la llum de
la mateixa supernova. Si haguessin arribat a la vegada, hauria
d’haver-se conclòs que no tenien massa (tècnicament, massa en repòs
nul·la), però aquest retard els delatava.

En 1998 es va confirmar que tenien una massa molt reduïda, entre 10
i 100 milions de vegades menor que la d’un electró que ronda els 9·10-31
Kg. Encara que amb partícules es parla normalment de l’energia
equivalent de la massa, E=mc2. Per a un electró, la seva "massa" és
0.5·106 ev, i la del neutrí està entre 0.05 i 0.3 ev.

Un experiment a escala còsmica, oi?

Font:
http://historias-de-la-ciencia.bloc.cat/post/1052/82452



Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.