MiniBooNE, un experimento poco conocido para la mayoría de los físicos

Si en una reunión de físicos pides que alguien te explique el experimento MiniBooNE del Fermilab puede que te lleves una sorpresa. La mayoría no sabrá nada de dicho experimento, incluso siendo conscientes que este año, MiniBooNE está de moda. Trataré de explicar en qué consiste este experimento. Para ello utilizaré como fuentes las charlas de Z. Djurcic, “Updated MiniBooNE Results,” NuFact2010, 12tth International Workshop on Neutrino Factories, Superbeams and Beta Beams, October 23, 2010; B. Louis, “Antineutrino Oscillation Results from MiniBooNE & Possible CP Violation in the Lepton Sector,” Seminar, LANL and University New Mexico, October 19, 2010; y C. Polly, “Updated Oscillation Results from MiniBooNE,” NOW 2010, 7 sep. 2010.

MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) es un experimento situado en el Fermilab, cerca de Chicago, EE.UU., formado por una esfera de 12 metros de diámetro rellena de 800 toneladas de cloruro de metileno (CH2 o diclorometano), un aceite mineral.  En la superficie interior de la esfera hay 1520 fotomultiplicadores, detectores de fotones (o fototubos). Sobre esta esfera incide un haz de neutrinos (o antineutrinos) muónicos producido  a 500 metros de distancia por protones que en un sincrotrón llamado FNAL Booster alcanzan una energía de 8 GeV y se hacen colisionar contra un blanco de berilio. El flujo de neutrinos que se producen en esta colisión, tanto electrónicos como muónicos, es bien conocido. Durante los 500 m. de trayecto alrededor del 0’25% de los neutrinos muónicos oscilan (o se transforman) en neutrinos electrónicos, por lo que en el detector se reciben neutrinos electrónicos producidos por la colisión p-Be más cierto número de neutrinos electrónicos producidos por la oscilación de neutrinos muónicos durante el trayecto de 0’5 km. Cada 20 segundos de funcionamiento MiniBooNE observa un neutrino, es decir, alrededor de un millón a lo largo de un año. Los responsables de MiniBooNE están interesados solo en la observación de los neutrinos (o antineutrinos) electrónicos siendo los muónicos parte del ruido de fondo.

La colisión de un neutrino muónico y un neutrón de alguna molécula del CH2 en el tanque esférico produce un muón (figura izquierda, arriba), y su colisión con un neutrón o un protón produce un pión (figura izquierda, abajo). Estas colisiones no interesan (son el background o ruido de fondo). La señal que interesa detectar es la colisión de un neutrino electrónico con un neutrón, produciendo un electrón (figura izquierda, centro). Tanto el electrón, el muón y el pión se propagan a velocidades ultrarrelativistas por el tanque de CH2, emitiendo radiación Cherenkov (un chorro de fotones que es observado en los fotodetectores). Como se muestra en la figura de la izquierda, la señal en los fotodetectores para estas tres posibles colisiones es muy diferente, lo que garantiza que pueden ser diferenciadas con un error pequeño.

MiniBooNE para un haz de neutrinos muónicos con una energía por encima de 475 MeV no observó ningún exceso en el número de neutrinos electrónicos esperados, pero para un haz de antineutrinos muónicos se ha observado un pequeño exceso (18 ± 14). La hipótesis de que sea una mera fluctuación estadística tiene una probabilidad de solo el 0’5%. Un exceso de 2σ, aunque sea consistente con un experimento previo (LSND) al 99’4%, requiere un análisis de más datos. En los próximos dos años sabremos si se confirma o se refuta este exceso. Hasta entonces, se limita a ser una buena excusa para que el experimento MiniBooNE aparezca en los medios (y en este blog). No debemos olvidar que la física de partículas elementales tiene mucho más frentes que el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN.

Por qué Isaac Newton tardó 20 años en publicar la ley de la gravitación universal

El annus mirabilis de Isaac Newton fue 1666. Su libro “Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” se publicó en 1687, unos 20 años más tarde. ¿Por qué tan tarde? Algunos historiadores achacan el retraso a las dificultades de Newton en 1667 para demostrar la validez de su ley de la gravitación universal. Todo parece indicar que gestó la gravitación universal alrededor de 1680 y que en 1684 ya la había completado. De hecho, de la correspondencia que se conserva entre Newton y Hooke entre 1679-1680 se deduce que Newton no había dado todavía el salto conceptual de concebir la gravedad como una ley universal, aplicable tanto a la caída de una manzana como a la caída de la luna hacia la tierra. Se duda de que antes de 1680 Newton hubiera deducido a partir de la tercera ley de Kepler que la fuerza de la gravedad es proporcional a la inverso del cuadrado de la distancia, ni que hubiera concebido el concepto de fuerza centrípeta. ¿Influyó la correspondencia con Hooke en las ideas de Newton? Newton siempre afirmó que no, que sus ideas y descubrimientos eran anteriores a las ideas de Hooke (de 1679), pero no se ha conservado ningún documento manuscrito que lo atestigue y lo que se ha conservado implica dudas muy serias al respecto. ¿Por qué Newton no publicó sus ideas alrededor de 1680? Parece que Newton mantuvo ocultos en su escritorio estos trabajos hasta que Halley le pinchó en agosto de 1684. En octubre de 1684 Newton envió a Halley un resumen de los principios de su teoría de la gravedad (“De Motu Corporum en Gyrum” o “Sobre el movimiento de los cuerpos en órbita”). Dicho trabajo enuncia, pero no demuestra, todos los teoremas que presenta. En una carta que envió a Halley confesó que no demostró los teoremas sobre la gravedad de un casquete esférico hasta 1685 (que la gravedad fuera de un casquete esférico de cierta masa es igual a la producida si dicha masa se concentra en su centro). Aunque Newton siempre afirmó que concibió la gravedad universal antes de 1667 y que en dicha época ya había realizado los cálculos que se publicaron en los Principia, todos los historiadores dudan de que Newton antes de 1671, cuando el astrónomo francés Jean Picard calculó de forma fiable el radio de la tierra, hubiera podido calcular que la aceleración de la gravedad en la superficie de la luna era 1/3600 más pequeña que en la tierra. Nos lo cuenta David Derbes, “A twenty year delay in Newton’s publishing?,” American Journal of Physics 78: 1077-1078, Nov. 2010.

[1] F. Cajori, “Newton’s twenty years’ delay in announcing the law of gravitation,” Sir Isaac Newton 1727–1927: A Bicentenary Evaluation of His Work (The History of Science Society, Williams & Wilkins, Baltimore, 1927), pp. 125–188.

[2] D. T. Whiteside, “The prehistory of the `Principia’ from 1664 to 1686,” Notes Rec. R. Soc. of Lond. 45 (1), 11–61 (1991).

La ciencia, la magia y la sugestión

Los neurocientíficos Stephen Macknik y Susana Martínez-Conde explican la ciencia detrás de las manipulaciones mentales de los trileros y carteristas (la “estrella” es el “profesional” Apollo Robbins).

NOTA: este post era para probar el sistema de generación automática de posts de Scientific American Videos. Funcionar, funciona.