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Articulo de referencia

Herbert H. Chen

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Herbert Hwa-sen Chen ( chino :陈华生) (16 de marzo de 1942 - 7 de noviembre de 1987) fue un físico teórico y experimental estadounidense de origen chino en la Universidad de California en Irvine, conocido por sus contribuciones en el campo de la detección de neutrinos . El trabajo de Chen sobre las observaciones de la dispersión elástica de neutrinos y electrones proporcionó un importante apoyo experimental para la teoría electrodébil del Modelo Estándar de la física de partículas. [ 1 ] En 1984, Chen se dio cuenta de que el deuterio del agua pesada podría usarse como un detector que distinguiría los sabores de los neutrinos solares . [ 2 ] Esta idea llevó a Chen a desarrollar planes para el Observatorio de Neutrinos de Sudbury que eventualmente realizaría mediciones fundamentales demostrando que los neutrinos eran partículas con masa.

Educación y primeros años de vida

Chen (izquierda) y el profesor Tadayoshi Doke (derecha) durante una visita a la Universidad de Waseda en Tokio en 1986. Al fondo se ve un criostato , probablemente un calorímetro de argón líquido en el laboratorio del profesor Doke.

Nacido en Chongqing , China , en 1942, Chen tuvo una infancia marcada por la inestabilidad e inseguridad de la guerra. Emigró a los Estados Unidos con su familia en 1955 [ 3 ] bajo la Ley de Ayuda a los Refugiados de Eisenhower de 1953. [ 4 ] Se graduó de la escuela secundaria en Cushing Academy , Massachusetts, en 1960. [ 3 ] Con una educación financiada casi en su totalidad por becas, posteriormente obtuvo una licenciatura en física del Instituto Tecnológico de California en 1964. [ 4 ] Luego, Chen obtuvo su doctorado en física teórica de la Universidad de Princeton en 1968, escribiendo su tesis sobre "Simulación electromagnética de la violación de la inversión temporal" bajo la supervisión de Sam Treiman . [ 5 ] [ 6 ]

Chen se unió al recién formado departamento de física de la Universidad de California, Irvine, como teórico postdoctoral en 1968. [ 7 ] [ 8 ] Fue uno de los primeros en incorporarse al Grupo de Neutrinos de Frederick Reines . Reines había trabajado para el Proyecto Manhattan durante la guerra y había descubierto el neutrino en 1956, lo que le valdría un Premio Nobel en 1995, [ 9 ] y había ayudado a fundar la nueva universidad en Irvine en 1966. [ 8 ] Aunque se formó en física teórica, Chen comenzó un programa experimental a largo plazo para el desarrollo de métodos para medir las propiedades de los neutrinos. [ 7 ]

Chen fue ascendido a Profesor Asociado de Física en UC Irvine en 1974, [ 10 ] y a Profesor de Física en 1980. [ 11 ]

Física de neutrinos en LAMPF

Chen inició un programa de investigación para explotar el denso flujo de neutrinos creado en la Instalación de Física de Mesones de Los Alamos (LAMPF), ahora llamada Centro de Ciencia de Neutrones de Los Alamos . Si bien el acelerador LAMPF fue diseñado principalmente para acelerar un haz de protones de alta intensidad a energías lo suficientemente altas como para producir piones no ligados , los subproductos de la operación de LAMPF fueron pulsos intensos de neutrinos con energías cinéticas entre 10 y 55 millones de electronvoltios (MeV). [ 12 ] En 1971, incluso antes de que LAMPF comenzara a operar, K. Lande, F. Reines y otros, incluido Chen, propusieron explotar estos neutrinos. [ 12 ] [ 13 ] Para 1981, Chen era presidente del grupo de trabajo sobre instalaciones de neutrinos y miembro del Panel Asesor Técnico del Grupo de Usuarios de LAMPF. [ 14 ]

Uno de los objetivos principales del trabajo de Chen en LAMPF fue un experimento, el E-225, iniciado en 1975 y dirigido por Chen, para medir la dispersión elástica electrón-neutrino electrónico.

νe +e −→ νe +e −. [ 12 ]

Esta interacción aparentemente simple es, de hecho, una interacción de fuerza débil mediada por el Z 0 neutro .o el W cargado +, W −bosones de interacción débil . [ 15 ] En esta última interacción, el electrón se convierte en un neutrino (y viceversa) mediante el intercambio de partículas virtuales. La medición de la dispersión elástica fue, por lo tanto, un medio para determinar las propiedades de los bosones, detectados por primera vez en el laboratorio de física de partículas CERN en 1983. Las mediciones de esta sección transversal, cuyos resultados finales se publicaron en 1993, coincidieron excelentemente con las predicciones del Modelo Estándar . Al verificar los efectos de interferencia cuántica de los dos modos de interacción, el experimento E-225 de LAMPF fue una prueba importante de la teoría del Modelo Estándar. [ 1 ]

Cámara de proyección de tiempo de argón líquido

En 1976, Chen, junto con colaboradores de la UC Irvine y el Instituto Tecnológico de California, propuso uno de los primeros usos del argón líquido en una cámara de proyección temporal (TPC de Ar líquido). [ 16 ] [ 17 ] Esta propuesta fue independiente y casi simultánea a la propuesta de Carlo Rubbia de construir un dispositivo similar en el CERN para experimentos de física de partículas de eventos raros. [ 18 ] Los objetivos iniciales de Chen con dicho detector eran estudiar la dispersión neutrino-electrón, pero los objetivos evolucionaron para medir neutrinos solares o cósmicos o la desintegración de protones. [ 16 ] [ 18 ] [ 19 ]

Computación para física de partículas mediante red

En 1984, Chen presidió un comité ad hoc patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para examinar el problema de cómo los físicos de partículas podrían obtener acceso remoto a los pocos Centros de Supercomputación de la NSF en los Estados Unidos para sus cálculos. [ 20 ] Como lo describió John Cramer , profesor de física en la Universidad de Washington en Seattle , el informe final del comité fue compilado por Chen. El informe presentado contribuyó a la acción del Congreso patrocinada por el senador Al Gore . Finalmente, se crearon cinco nuevos Centros de Supercomputación de la NSF en los Estados Unidos con la NSFNET diseñada para conectarlos con universidades y otros usuarios. [ 20 ] La NSFNET pronto se fusionó con ARPANET , y esta red finalmente se convirtió en Internet .

El problema de los neutrinos solares

El Sol se alimenta de la fusión nuclear mediante la reacción en cadena protón-protón , que convierte cuatro protones en partículas alfa , neutrinos , positrones y energía. [ 21 ] La energía del proceso de fusión se libera en forma de radiación electromagnética, rayos gamma y la 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 las capas exteriores del Sol. El número esperado de neutrinos solares que llegan a la Tierra se puede calcular utilizando el modelo solar estándar . [ 21 ] El modelo proporciona una descripción detallada del funcionamiento interno del Sol.

A finales de la década de 1960, Ray Davis y John N. Bahcall diseñaron el Experimento Homestake para medir el flujo de neutrinos provenientes del Sol. Dentro de la mina de oro Homestake en Lead, Dakota del Sur , Davis colocó un tanque de 380 metros cúbicos (100 000 galones) de percloroetileno a 1478 metros (4850 pies) bajo tierra como blanco de neutrinos. [ 22 ] El experimento mediría las interacciones de los neutrinos con el cloro , ya que el percloroetileno es un líquido común de limpieza en seco rico en este elemento. Se necesitaba un blanco a gran profundidad para reducir el ruido de los rayos cósmicos, y también se requería un blanco grande, ya que la probabilidad de captura exitosa de neutrinos era muy pequeña. Se esperaba una tasa de detección efectiva muy baja, incluso con la enorme masa del blanco. El experimento midió muchas menos interacciones de neutrinos de las esperadas, lo que indicó un déficit en el flujo de neutrinos. Muchos detectores Cherenkov radioquímicos y de agua posteriores confirmaron el déficit, que se conoció como el problema de los neutrinos solares. El resultado parecía implicar que los neutrinos cambiaban sus propiedades a medida que viajaban del sol a la Tierra.

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 alrededor de un tercio del número predicho por el modelo solar estándar. [ 23 ]

Agua pesada para un detector de neutrinos

En 1984, Chen propuso el uso de un gran detector de agua pesada como medio para observar neutrinos provenientes del sol y resolver el problema de los neutrinos solares. [ 2 ] [ 24 ] El uso del deuterio del agua pesada tenía la propiedad de que las interacciones de neutrinos podían observarse mediante reacciones de corriente neutra y corriente cargada :

ν + d + → ν + p ++ n (corriente neutra)
νe +d+→e −+ p ++ p + (corriente cargada)

donde a la izquierda ν , νe ydse refieren a neutrino genérico, neutrino electrónico y deuterio, respectivamente, mientras que a la derechap +, n y e −Se hace referencia al protón, neutrón y electrón. [ 25 ] [ 26 ] Se indican sus cargas eléctricas. Hay tres tipos o sabores diferentes de neutrinos : electrónico, muónico o tau . La reacción de corriente neutra involucra a todos los tipos de neutrinos, mientras que la reacción de corriente cargada involucra solo al neutrino electrónico. La corriente cargada está mediada por el W cargado +y W −bosones, mientras que la corriente neutra está mediada por el Z 0 neutro.Las reacciones mencionadas anteriormente podrían distinguirse en el detector por sus diferentes propiedades; por ejemplo, la radiación gamma resultante de la captura del neutrón en la primera reacción y la radiación Cherenkov del electrón en la segunda. Las tasas relativas de estas reacciones serían muy diferentes si los neutrinos cambiaran o no de tipo durante su viaje desde el Sol hasta la Tierra.

Chen y otros formaron el equipo de investigación que diseñó el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) para explotar la idea de su artículo fundamental. [ 2 ] [ 27 ] El observatorio se ubicaría a 2100 m bajo tierra en una mina de níquel cerca de Sudbury , Ontario , Canadá . Chen fue el líder y portavoz de EE. UU. para este proyecto, mientras que George Ewan dirigió el equipo canadiense. [ 2 ] [ 28 ] Si bien uno de los enfoques de la investigación fue la cuestión de los neutrinos solares, el uso del término "Observatorio" fue para enfatizar la intención de usar la instalación para registrar pulsos de neutrinos producidos por eventos astronómicos, astronomía de neutrinos . [ 29 ] El argumento del observatorio astronómico resultó convincente después de que se detectaran estallidos de neutrinos de la supernova SN 1987A en febrero de 1987. [ 30 ] El problema inicial que Chen y la colaboración abordaron fue la adquisición de 1000 toneladas de agua pesada de la compañía de energía nuclear canadiense Atomic Energy of Canada Limited que se usaría como detector. [ 2 ] El principal problema con las observaciones de neutrinos es que la probabilidad de una interacción es tan pequeña que se requieren enormes cantidades de posibles objetivos para poder observar el pequeño número de interacciones que ocurren.

Muerte

Durante la fase intensiva de planificación y desarrollo del SNO, a Chen le diagnosticaron leucemia . Tras un año de lucha contra la enfermedad, Chen falleció en noviembre de 1987. [ 4 ] En enero de 1988, se celebró un simposio sobre física de neutrinos en la UC Irvine para honrar las contribuciones de Chen, moderado por Frederick Reines. El premio Nobel y astrofísico William Fowler fue el orador principal y dirigió un debate sobre «Herb Chen y los neutrinos solares». [ 31 ]

La Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad de California, Irvine, estableció el Premio Herbert H. Chen, otorgado a un estudiante de física de tercer año sobresaliente. [ 32 ]

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury se completó en la década de 1990, y su primer director fue el colaborador de Chen, Arthur B. McDonald . [ 2 ] [ 33 ] [ 34 ] Las observaciones del SNO demostrarían que los neutrinos oscilaban entre sabores de neutrinos (electrón, muón y tau), demostrando así que el neutrino no carecía de masa. [ 29 ] Por este descubrimiento fundamental en física, McDonald y la Colaboración del Observatorio de Neutrinos de Sudbury recibieron el Premio Nobel de Física de 2015 conjuntamente con el físico japonés Takaaki Kajita y la Colaboración Super-Kamiokande . [ 35 ]

Véase también

Referencias

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