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Fisica 1° · 2024
Libro de Física 1 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

259/274

Neutrinos de la Supernova 1987A: datos y cálculos con energía promedio de 6 MeV

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 1° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

\bar{E}=9{,}6\times10^{-13} J; N\approx1{,}0\times10^{58} neutrinos; \Phi\approx3{,}2\times10^{14} m^{-2}; ~1{,}6\times10^{14} neutrinos cruzan el cuerpo (0,5 m²).

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 5 min lectura

Solución — Página 259

Fisica 1° · 2024

4
Ejercicio 4

"Leo el siguiente problema y realizo las actividades a continuación" (los literales concretos de las actividades continúan en la página siguiente, 260).

Contexto entregado en la página

  1. El neutrino atraviesa todo el planeta Tierra sin provocar interacción alguna, por lo que es muy difícil de detectar y requiere técnicas especializadas.
  2. Las anomalías de la desintegración beta se detectaron recién en 1953 (Reines y Cowan). En 1987 se registraron 10 eventos en una mina profunda de Japón, coincidentes con la Supernova 1987A, dentro de un intervalo de ~15 s, con neutrinos de baja energía. En una instalación similar en Ohio se detectaron 8 eventos en 6 s. Estas observaciones se hicieron 18 horas antes de la primera observación óptica de la supernova.
  3. La supernova 1987A está a 170 000 años luz y emitió una ráfaga de energía aproximada E_{total}=10^{46}\,\text{J}.
  4. Energía promedio por neutrino (según la figura): \bar{E}=6\,\text{MeV}. Área transversal del cuerpo humano: A=5\,000\,\text{cm}^{2}.

Magnitudes derivadas que anticipan las actividades

  1. Conversión de la energía promedio del neutrino al SI: 1\,\text{MeV}=1{,}602\times10^{-13}\,\text{J}, luego \bar{E}=6\times1{,}602\times10^{-13}\,\text{J}=9{,}61\times10^{-13}\,\text{J}.
  2. Número de neutrinos emitidos: N=\dfrac{E_{total}}{\bar{E}}=\dfrac{10^{46}\,\text{J}}{9{,}61\times10^{-13}\,\text{J}}\approx1{,}04\times10^{58} neutrinos.
  3. Distancia en metros: d=1{,}7\times10^{5}\,\text{años luz}\times9{,}46\times10^{15}\,\text{m/año luz}\approx1{,}61\times10^{21}\,\text{m}.
  4. Fluencia en la Tierra (neutrinos por unidad de área, esféricamente): \Phi=\dfrac{N}{4\pi d^{2}}=\dfrac{1{,}04\times10^{58}}{4\pi(1{,}61\times10^{21})^{2}}\approx3{,}2\times10^{14}\,\text{m}^{-2}.
  5. Fluencia de energía: \dfrac{E_{total}}{4\pi d^{2}}=\dfrac{10^{46}}{3{,}25\times10^{43}}\approx3{,}1\times10^{2}\,\text{J/m}^{2}.
  6. Neutrinos que atraviesan el cuerpo humano (área convertida: A=5\,000\,\text{cm}^{2}=0{,}5\,\text{m}^{2}): N_{cuerpo}=\Phi\cdot A=3{,}2\times10^{14}\times0{,}5\approx1{,}6\times10^{14} neutrinos.
  7. Coherencia con la figura: los eventos de la Supernova 1987A se agrupan en t\approx0 con energías de ~7 a ~35 MeV, por encima del "nivel de fondo" (~7 MeV), lo que justifica el promedio de 6 MeV dado y muestra por qué se requiere separar señal de fondo.
Respuesta

con los datos del problema: \bar{E}\approx9{,}6\times10^{-13}\,\text{J}, N\approx10^{58} neutrinos, \Phi\approx3\times10^{14}\,\text{m}^{-2} y ~1{,}6\times10^{14} neutrinos atraviesan el cuerpo; los literales a), b), c)… se encuentran en la página 260.

Contenido de la página

4. Leo el siguiente problema y realizo las actividades a continuación

El neutrino puede pasar a través de todo el planeta Tierra sin provocar interacción alguna, muy difícilmente puede ser detectado, por eso, para estimar datos y detectar un neutrino, se necesita de técnicas especializadas.

Las anomalías en la desintegración beta no fueron detectadas sino hasta el año 1953 por Reines y Cowan. Y en 1987 se detectaron diez eventos en una instalación de detección de neutrinos en una mina profunda en Japón, que coincidió con la observación de la Supernova 1987A. Estos se detectaron dentro de un intervalo de 15 segundos, aproximadamente, en un contexto de eventos de neutrinos de baja energía. En una instalación similar, en Ohio, se detectaron ocho eventos de neutrinos en 6 segundos. Estas observaciones fueron realizadas 18 horas antes de la primera observación óptica de la supernova.

Se estima que la supernova Shelton 1987A se encuentra ubicada a 170 000 años luz de la Tierra y que emitió una ráfaga con una energía aproximada de 10^{46}\,\text{J}.

Con base en la figura mostrada, se asume que la energía promedio fue de 6 MeV, y si de manera ideal se sabe que el cuerpo humano tiene una sección de área transversal de 5 000 cm², determino lo siguiente:

Figura: gráfico de dispersión "Energía (MeV)" vs "Tiempo relativo" de los neutrinos de la Supernova 1987A; los eventos se concentran en t\approx0 con energías entre ~7 y ~35 MeV, sobre una línea discontinua denominada "Nivel de fondo" (~7 MeV). Fuente: https://n9.cl/s3pa9

(Los literales de las actividades continúan en la página siguiente.)

Ejemplos resueltos

Convertir la energía promedio del neutrino de 6 MeV a julios.

\bar{E}=6\,\text{MeV}\times1{,}602\times10^{-13}\,\text{J/MeV}=9{,}61\times10^{-13}\,\text{J}.

Tablas (7)

| Dato | Valor |

|---|---|

| Energía promedio por neutrino | 6\,\text{MeV}=9{,}6\times10^{-13}\,\text{J} |

| Energía total de la ráfaga | 10^{46}\,\text{J} |

| Distancia a la Tierra | 170\,000\,\text{años luz}\approx1{,}61\times10^{21}\,\text{m} |

| Área transversal del cuerpo | 5\,000\,\text{cm}^{2}=0{,}5\,\text{m}^{2} |

| Eventos en Japón / Ohio | 10 en 15 s / 8 en 6 s |

Fórmulas y ecuaciones

1\,\text{MeV}=1{,}602\times10^{-13}\,\text{J}

\Phi=\dfrac{N}{4\pi d^{2}}

N_{\text{que cruzan}}=\Phi\cdot A

\bar{E}@@MATH_0@@=9{,}61\times10^{-13}\,\text{J}

N=\dfrac{E_{total}}{\bar{E}}

d=1{,}7\times10^{5}\times9{,}46\times10^{15}\,\text{m}

\Phi=\dfrac{N}{4\pi d^{2}}

N_{cuerpo}=\Phi\cdot A

Glosario (6)

Neutrino
Partícula elemental eléctricamente neutra de masa muy pequeña que interactúa débilmente, por lo que atraviesa la materia sin ser detectada fácilmente.
MeV
Megaelectrónvoltio: $1\,\text{MeV}=10^{6}\,\text{eV}=1{,}602\times10^{-13}\,\text{J}$.
Año luz
Distancia recorrida por la luz en un año, $9{,}46\times10^{15}\,\text{m}$.
Desintegración beta
Decaimiento radiactivo en el que un nucleón cambia de tipo emitiendo un electrón y un antineutrino; su aparente violación de la conservación de energía llevó a postular el neutrino.
Fluencia
Número de partículas que cruzan una unidad de área, aquí neutrinos por m².
Supernova 1987A
Explosión estelar observada en 1987 en la Gran Nube de Magallanes, primera en cuyos neutrinos se detectaron en la Tierra.

Preguntas para practicar

¿Por qué las observaciones de neutrinos se hicieron 18 horas antes de la primera observación óptica de la supernova?

Los neutrinos escapan casi al instante de la colapso y atraviesan la estrella sin interactuar, mientras que la luz queda atrapada en la onda de choque y emerge horas después; además, los neutrinos viajan a velocidad prácticamente igual a la de la luz, así que llegan primero la señal detectable.

¿Por qué se necesita "nivel de fondo" en la figura para afirmar que hubo eventos de la Supernova 1987A?

El fondo corresponde a neutrinos de otras fuentes (Sol, rayos cósmicos); solo se consideran eventos significativos los que superan ese nivel y se agrupan temporalmente en torno a t = 0, lo que permite distinguir la señal de la supernova del ruido continuo del detector.

Temas y conceptos clave

NeutrinosSupernova 1987AUnidades de energía en física subatómicaDetección de partículasneutrinodesintegración betaMeVaños luzráfaga de energíaárea transversalfluencianivel de fondo

Fuentes y referencias

  • https://n9.cl/s3pa9
¿Te fue útil esta página?

Figuras de la página (1)

Gráfico de dispersión Energía (MeV) vs Tiempo relativo de los neutrinos de la Supernova 1987A: puntos agrupados cerca de t = 0 con energías de ~7 a ~35 MeV, línea discontinua de 'Nivel de fondo' en ~7 MeV, iconos de cohete y explosión estelar; fuente https://n9.cl/s3pa9.
Figura 1 image

Preguntas que la gente también hace

¿Cómo se calcula el número de neutrinos emitidos por una supernova?
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¿Por qué los neutrinos se detectan antes que la luz de la supernova?
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¿Qué es la energía promedio de 6 MeV y cómo se convierte a julios?
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📌 Antes de leer esto
  • • Conversión de MeV a julios
  • • Ley del inverso cuadrado para la intensidad
  • • Área transversal y cambio de unidades cm² a m²
  • • Notación científica
Siguiente tema sugerido
Resolución de los literales de la actividad 4 (página 260) usando los datos y cálculos preparados
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 1493 caracteres
  1. Leo el siguiente problema y realizo las actividades a continuación:

(— >

El neutrino puede pasar a través de todo el planeta Tierra sin provocar interacción alguna, muy difícilmente puede ser detectado, por eso, para estimar datos y detectar un neutrino, se necesita de técnicas especializadas.

MN y

(— > Las anomalías en la desintegración beta no fueron detectadas sino hasta el año 1953 por Reines y Cowan. Y en 1987 se detectaron diez eventos en una instalación de detección de neutrinos en una mina profunda en Japón, que coincidió con la observación de la Supernova 19874. Estos se detectaron dentro de un intervalo de 15 segundos, aproximadamente, en un contexto de eventos de neutrinos de baja energía. En una instalación similar, en Ohio, se detectaron ocho eventos de neutrinos en 6 segundos. Estas observaciones fueron realizadas 18 horas antes de la primera observación óptica de la supernova.

NM y)

( y Se estima que la supernova Shelton 1987A se encuentra ubicada a 170000 años luz de la Tierra y que emitió una ráfaga con una energía aproximada de 10*% J.

Ne y

Con base en la figura mostrada, se asume que la energía promedio fue de 6 MeV, y si de manera ideal se sabe que el cuerpo humano tiene una sección de área transversal de 5000 cm?, determino lo siguiente:

40FP ' Neutrinos de la — 30F ; Supernova 1987A

' Y = ‘ 5 20 { a y t 5 Pa 8 e 10- oo Nivel de fondo ee Cee CIS 0 n i | 1 60 -30 0 30 60

Tiempo relativo Fuente: https://n9.cl/s3pa9

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