Federico Reines

Frederick Reines ( / ˈ r aɪ n ə s / RY -nəs ; ^{[ 1 ]} 16 de marzo de 1918 – 26 de agosto de 1998) fue un físico estadounidense . Recibió el Premio Nobel de Física de 1995 por su codescubrimiento del neutrino con Clyde Cowan en el experimento del neutrino . Puede que sea el único científico en 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 Tecnológico Stevens y de la Universidad de Nueva York , Reines se unió al Laboratorio de Los Alamos del Proyecto Manhattan en 1944, trabajando en la División Teórica del grupo de Richard Feynman . En 1946, se convirtió en jefe de grupo. Participó en varias pruebas nucleares , culminando con su nombramiento como director de la serie de pruebas Operación Greenhouse en el Pacífico en 1951.

A principios de la década de 1950, trabajando en los sitios de Hanford y Savannah River , 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, un trabajo que influiría en el estudio de estos 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 ( de soltera  Cohen ) e Israel Reines. Sus padres eran emigrantes judíos de la misma ciudad de Rusia, pero se conocieron en la ciudad de Nueva York , donde posteriormente se casaron. Tenía una hermana mayor, Paula, que se convirtió en médica, y dos hermanos mayores, David y William, que se hicieron abogados. Afirmó que su educación temprana estuvo fuertemente influenciada por sus estudiosos hermanos. Era sobrino nieto del rabino Yitzchak Yaacov Reines , fundador de Mizrachi , un movimiento sionista religioso . ^{[ 3 ]}

La familia se mudó a Hillburn, Nueva York , donde su padre regentaba la tienda de comestibles , y allí pasó gran parte de su infancia. Fue Boy Scout Águila . Recordando aquellos tiempos, Reines comentó: «Mis primeros recuerdos de la infancia giran en torno a esta típica tienda rural estadounidense y la vida en un pequeño pueblo americano, incluyendo las celebraciones del Día de la Independencia en julio , marcadas por fuegos artificiales y música patriótica interpretada desde un quiosco de música». ^{[ 4 ]}

Reines cantaba en un coro y como solista. Durante un tiempo consideró la posibilidad de una carrera como cantante y recibió clases de un profesor de canto de la Metropolitan Opera que le impartió lecciones gratuitas porque la familia no tenía dinero para pagarlas. ^{[ 4 ]} Posteriormente, la familia se mudó a North Bergen, Nueva Jersey , residiendo en Kennedy Boulevard y la calle 57. Como North Bergen no tenía 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. Más tarde recordó que:

Los primeros atisbos de interés por la ciencia que recuerdo ocurrieron durante un momento de aburrimiento en la escuela religiosa, cuando, mirando por la ventana al anochecer a través de una mano que simulaba un telescopio , noté algo peculiar en la luz; era el fenómeno de la difracción . Aquello despertó en mí una fascinación por la luz. ^{[ 4 ]}

Irónicamente, Reines sobresalió en literatura e historia, pero obtuvo calificaciones promedio o bajas en ciencias y matemáticas durante su primer año de preparatoria. Sin embargo, mejoró en estas áreas durante su penúltimo y último año gracias al apoyo de un profesor que le dio una llave del laboratorio de la escuela. Esto cultivó su amor por la ciencia durante su último año. En respuesta a una pregunta que se les hizo a los estudiantes de último año sobre qué querían hacer para la cita del anuario, respondió: "Ser un físico extraordinario". ^{[ 4 ]}

Reines fue aceptado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts , pero optó por 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 en la Universidad de Nueva York , donde obtuvo su doctorado en filosofía (Ph.D.) en 1944. Allí estudió rayos cósmicos bajo la dirección de 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 Alamos 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 jefe de grupo, dirigiendo el Grupo T-1 (Teoría del Dragón). El Dragón, derivado del experimento de " hacerle cosquillas a la cola del Dragón ", era una máquina que podía alcanzar un estado crítico durante breves periodos de tiempo, que podía utilizarse como herramienta de investigación o fuente de energía. ^{[ 8 ]}

Reines participó en varias pruebas nucleares y redactó informes sobre sus resultados. Entre ellas se incluyen la Operación Crossroads en el atolón Bikini en 1946, la Operación Sandstone en el atolón Eniwetok en 1948, y las operaciones Ranger y Buster-Jangle en el Sitio de Pruebas de Nevada . En 1951 fue director de la Operación Greenhouse, una serie de pruebas nucleares en el Pacífico. En ella 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, junto con John von Neumann , de un artículo sobre la formación del tallo de Mach, un aspecto importante de la onda expansiva aérea . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

A pesar de su papel en estas pruebas nucleares, o quizás precisamente por ello, Reines estaba preocupado por los peligros de la contaminación radiactiva derivada de las pruebas nucleares atmosféricas y se convirtió en defensor de las pruebas nucleares subterráneas . Tras la crisis del Sputnik , participó en el Proyecto 137 de John Archibald Wheeler , que posteriormente se convirtió en JASON . También fue delegado en la Conferencia Átomos para la Paz celebrada 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. Esta 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 debía preservar la ley fundamental de conservación de la energía . Enrico Fermi la renombró neutrino , que en italiano significa "pequeño neutro", ^{[ 9 ]} y en 1934 propuso su teoría de la desintegración beta, según la cual los electrones emitidos desde el núcleo se creaban por la desintegración de un neutrón en un protón, un electrón y un neutrino: ^{[ 10 ] [ 11 ]}

n ⁰→ p ⁺+ e ⁻+ ν_mi

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 podían 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 comprobar 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 una licencia de residencia para estudiar física fundamental. "¿Por qué queríamos detectar el neutrino libre?", explicó más tarde, "Porque todo el mundo decía que era imposible". ^{[ 13 ]}

Según la teoría de Fermi, también existía una reacción inversa correspondiente, en la que un neutrino se combina con un protón para crear un neutrón y un positrón : ^{[ 13 ]}

ν_e +p ⁺→ n ⁰+ e ⁺

El positrón sería aniquilado rápidamente por un electrón, produciendo dos rayos gamma de 0,51 MeV , mientras que el neutrón sería capturado por un protón, liberando un rayo gamma de 2,2 MeV. Esto produciría una señal distintiva detectable. Entonces se dieron cuenta de que, al añadir sal de cadmio a su centelleador líquido , potenciarían la reacción de captura de neutrones, generando una ráfaga de rayos gamma con una energía total de 9 MeV. ^{[ 14 ]} Para una fuente de neutrinos, propusieron utilizar una bomba atómica. Obtuvieron el permiso del director del laboratorio, Norris Bradbury . El plan consistía en detonar una bomba nuclear de 20 kilotones, comparable a la lanzada sobre Hiroshima, Japón. Se propuso que el detector se dejara caer en el momento de la explosión en un agujero situado a 40 metros del lugar de la detonación para captar el flujo máximo; se le denominó «El Monstro». ^{[ 15 ]} Se comenzó a excavar un pozo para el experimento cuando JMB Kellogg los convenció de usar un reactor nuclear en lugar de una bomba. Aunque era una fuente de neutrinos menos intensa, tenía la ventaja de permitir realizar múltiples experimentos durante un largo período de tiempo. ^{[ 3 ] [ 14 ] [ 15 ]}

En 1953, realizaron 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 ; denominaron al experimento "Proyecto Poltergeist". ^{[ 15 ]} Su detector incluía 300 litros (66 galones imperiales ; 79 galones estadounidenses ) de líquido centelleador 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 billones / cm ² s. También contaban con una ubicación conveniente y bien blindada a 11 metros (36 pies) del reactor y a 12 metros (39 pies) bajo tierra. ^{[ 13 ]} El 14 de junio de 1956, lograron enviarle a Pauli un telegrama anunciando que se había encontrado el neutrino. ^{[ 16 ]} Cuando le informaron a Bethe que se había demostrado que estaba equivocado, dijo: «Bueno, no hay que creer todo lo que se lee 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, un trabajo que influiría en el estudio del neutrino para futuros investigadores. ^{[ 17 ]} Cowan dejó Los Alamos en 1957 para enseñar en la Universidad George Washington , poniendo fin a su colaboración. ^{[ 3 ]} Gracias a su trabajo en la primera detección del neutrino , Reines se convirtió en 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 potente y había sido cantante desde la infancia. Durante este tiempo, además de desempeñar sus funciones como supervisor de investigación y jefe 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, un ingeniero August "Gus" Hruschka de los EE. UU., ^{[ 19 ]} trabajaron junto con el físico sudafricano Friedel Sellschop de la Universidad de Witwatersrand . ^{[ 3 ]} El equipo fue fabricado en el Instituto Case , y 20 toneladas de líquido de centelleo en 50 tanques de contención fueron transportadas desde los EE. UU. La decisión de trabajar en un país racista de 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 los estudiantes de posgrado de Reines, primero por William Kropp, y luego por Henry Sobel. ^{[ 19 ]} El experimento se llevó a cabo desde 1963 y se cerró en 1971, capturando 167 eventos de neutrinos. ^{[ 3 ]}

En 1966, Reines se llevó consigo a la mayor parte de su equipo de investigación de neutrinos cuando se trasladó 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 hacia el desarrollo de detectores de radiación médica , como los utilizados para medir la radiación total administrada 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 con sus detectores especialmente diseñados. Mientras esperaba la explosión de una supernova, colocó letreros en algunos de sus grandes detectores de neutrinos, llamándolos "Sistemas de Alerta Temprana de Supernova". ^{[ 18 ]} En 1987, la Colaboración Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) detectó neutrinos emitidos por la Supernova SN1987A , utilizando un detector Cherenkov de 8000 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 inicio del 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 primera detección del neutrino. Desafortunadamente, Cowan había fallecido en 1974 y el Premio Nobel no se otorga a título póstumo. ^{[ 17 ]} Reines también recibió muchos otros premios, entre ellos el Premio Memorial J. Robert Oppenheimer en 1981, ^{[ 20 ]} la Medalla Nacional de Ciencia 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 ]} Permaneció como 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 falleció tras 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 se encuentran recopilados en las Bibliotecas de la UCI. ^{[ 22 ]} El edificio Frederick Reines Hall, que alberga el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California, Irvine, fue nombrado en su honor. ^{[ 23 ]}

• Reines, F. y CL Cowan Jr. "Sobre la detección del neutrino libre" , Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) (a través de la agencia predecesora Laboratorio Científico de Los Alamos), Departamento de Energía de los Estados Unidos (a través de la agencia predecesora Comisión de Energía Atómica ), (6 de agosto de 1953).
• Reines, F., Cowan, CL Jr., Carter, RE, Wagner, JJ y ME Wyman. "La sección transversal de absorción de antineutrinos libres. Parte I. Medición de la sección transversal de absorción de antineutrinos libres. Parte II. Sección transversal esperada a partir de mediciones del espectro de electrones de fragmentos de fisión" , Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) (a través de la agencia predecesora Laboratorio Científico de Los Alamos), Departamento de Energía de los Estados Unidos (a través de la agencia predecesora Comisión de Energía Atómica ), (junio de 1958).
• Reines, F., Gurr, HS, Jenkins, TL y JH Munsee. "Experimentos con neutrinos en reactores" , Universidad de California-Irvine , Universidad Case Western Reserve , Departamento de Energía de los Estados Unidos (a través de la agencia predecesora, la Comisión de Energía Atómica ), (9 de septiembre de 1968).
• Roberts, A., Blood, H., Learned, J. y F. Reines. "Estado y objetivos del proyecto de neutrinos DUMAND: el océano como detector de neutrinos" , Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (FNAL), Departamento de Energía de los Estados Unidos (a través de la agencia predecesora, la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía ), (julio de 1976).
• Reines, F. (1991). Neutrinos y otros temas: Obras selectas de Frederick Reines . Teaneck, NJ: World Scientific. ISBN 978-981-02-0392-4.

• Lista de premios Nobel judíos

• Close, Frank E. (2012). Neutrino . Oxford: Oxford University Press. ISBN 9780199574599OCLC 840096946​​ 
• Truslow, Edith C.; Smith, Ralph Carlisle (1983) [1961]. Historia del distrito de Manhattan, Proyecto Y, la historia de Los Álamos, Volumen II: agosto de 1945 a diciembre de 1946 . Los Ángeles: Tomash Publishers. ISBN 978-0-938228-08-0Recuperado el 20 de febrero de 2014. Publicado originalmente como Informe de Los Alamos LAMS-2532 .

• Guía de los documentos de Frederick Reines. Colecciones especiales y archivos, Bibliotecas de la UC Irvine, Irvine, California.
• Frederick Reines en Nobelprize.org, incluyendo la Conferencia Nobel, 8 de diciembre de 1995 : El Neutrino: Del Poltergeist a la Partícula