Claves del neutrino: la partícula esquiva

• Los neutrinos son uno de los componentes básicos del Universo
• Hay hasta tres tipos distintos de neutrinos
• La fuente principal de los neutrinos es el Sol

El Super-Kamiokande es uno de los detectores de neutrinos más potentes que existen. Es un tanque de 40 metros de diámetro y 40 metros de alto con más de 500.000 toneladas de agua pesada

Cuando los físicos hablan de los constituyentes básicos del Universo a los civiles nos da dolor de cabeza. En las escalas de lo inimaginablemente pequeño ocurren cosas que van contra la lógica y la razón más elementales, y que tienen su impacto no sólo en el mundo que nos rodea, sino en lo que ocurre ahí fuera, donde lo inimaginablemente grande.

Cuando miramos la esencia de lo que existe, especialmente cuando nos aproximamos a temperaturas y velocidades extremas y a distancias diminutas, nuestra intuición se rebela ante los resultados, y nuestra experiencia resulta dolorosamente inadecuada.

Es lo que ocurre con las partículas elementales, con su comportamiento y con sus propiedades. Y es lo que ocurre con los famosos Neutrinos, acusados en septiembre de 2011 de violar una de las más sagradas leyes de la física moderna al romper el límite máximo de velocidad.

¿Qué son los neutrinos?

Se trata de partículas que están entre los constituyentes más básicos del Universo. Forman la familia de los Fermiones junto a los quark y los leptones (electrón, muón y tau); Ferminones y bosones son los componentes esenciales de todo lo existente en el cosmos.

Esto significa que no tienen estructura interna, que sepamos, y por tanto que no hay componentes aún más básicos.

Los neutrinos carecen de carga eléctrica y tienen un valor de espín de 1/2. Su masa es muy baja, menos de la milmillonésima que la de un átomo de hidrógeno o diez mil veces más pequeña que la del electrón; esto implica que los neutrinos viajan muy rápido, cerca de la velocidad de la luz.

Como carecen de carga no se ven afectados por las fuerzas electromagnéticas o la nuclear fuerte; de las fuerzas elementales sólo responden a la gravitación y a la fuerza nuclear débil.

“Los neutrinos son un componente básico del Universo y no tienen estructura interna“

Por eso los neutrinos apenas interactúan con la materia normal, lo que los hace muy difíciles de detectar, pues atraviesan sin dejar rastro cualquier grupo de átomos.   Haría falta un grosor de plomo de un año luz (9,46 billones de kilómetros) para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesasen.

Nosotros somos atravesados por miles de millones de ellos cada segundo sin enterarnos siquiera, y sin posibilidad de notar efecto alguno.

Por eso para detectarlos hacen falta estructuras enormes que se sitúan en las profundidades de minas, para evitar cualquier tipo de falsas mediciones, y emplean gigantescos tanques de sustancias cloradas o agua pesada.

El más importante de estos detectores es el Super-Kamiokande, un tanque de 40 metros de alto por 40 de diámetro lleno de 50.000 toneladas de agua pesada rodeadas por casi 11.000 tubos fotomultiplicadores enterrado a 1.000 m bajo tierra en una mina cerca de Hida (antigua Kamioka) en Gifu, Japón.

Los datos obtenidos con el Super-Kamiokande durante la explosión de la supernova 1987A, cuando neutrinos procedentes de esta explosión llegaron a la Tierra casi a la vez que los fotones, permitieron demostrar la masa del neutrino y acotar por primera vez su valor.

Estos datos también tienen implicaciones sobre la posible velocidad superlumínica detectada en el experimento OPERA, ya que no muestran velocidades anormales.

Tipos y oscilación de los neutrinos

Al principio se pensaba que sólo había un tipo de neutrinos, pero resultó que hay tres, cada uno asociado a una familia de leptones (llamados, con característico ingenio físico, ‘sabores’).

Son el neutrino electrónico (ne), el neutrino muónico (nm) y el neutrino tauónico (nt), a los que se suman sus respectivas antipartículas. Por si fuera poca confusión el hecho de que tengan masa implica, necesariamente, que los diversos tipos de neutrinos pasan de una familia a otra  en un proceso llamado oscilación de neutrinos.

El cambio entre las distintas familias (o ‘sabores’) es aleatorio, aunque parece que se produce más frecuentemente en medio de la materia que en el vacío interestelar. Habitualmente los neutrinos aparecen repartidos por igual entre los tres ‘sabores’, según cada uno de ellos va cambiando al azar.

“Los neutrinos cambian de familia al azar“

El Llamado ‘Problema de los neutrinos solares’ fue la pista que permitió a los físicos encontrar la oscilación, ya que al observar los neutrinos que nos llegan del Sol se descubrió que sólo nos golpean la tercera parte de los esperados.

Al principio se pensó que la razón del déficit era que el Sol no funcionaba exactamente como predecían nuestro modelos, y que las reacciones nucleares de fusión se producían en su interior de un modo diferente al que creía la ciencia.

Resultó que en nuestra estrella se producen sobre todo neutrinos electrónicos, que en el camino hasta nuestro planeta oscilan a los otros dos sabores, que en los detectores de la época no aparecían.

¿Dónde nacen los neutrinos?

La más importante fuente de neutrinos, con mucha diferencia, es el Sol.

Las reacciones de fusión en su núcleo producen como residuo esta partícula (en su variante electrónica), que abandona la estrella a una velocidad cercana a la de la luz sin que las estructuras intermedias del Sol molesten o modifiquen su viaje.

Las centrales nucleares también producen neutrinos, así como los aceleradores de partículas. Las propias desintegraciones radiactivas naturales de isótopos de Uranio, Torio y Potasio dentro de nuestro planeta dan lugar a los llamados geoneutrinos, que se están empleando para conocer mejor la estructura de la Tierra.

Fuera del Sistema Solar las principales fuentes de neutrinos son las supernovas de Tipo II, como la SN 1987A. Además se piensa que el Universo entero está ‘empapado’ por neutrinos de baja energía procedentes del Big Bang.

Historia del neutrino

Durante una buena parte de su historia el neutrino fue una partícula teórica.

Wolfgang Pauli propuso en 1930 su existencia para resolver un engorroso problema: cuando los neutrones se desintegran (en la llamada desintegración β) hay una pérdida neta de energía y momento lineal.

Pauli propuso que esa energía perdida salía del sistema transportada por una nueva partícula neutra y casi indetectable; el neutrino.

Hasta mucho más tarde, en 1956, no fue posible demostrar experimentalmente lo que los cálculos de Pauli habían sugerido, cuando Clyde Cowan y Frederick Reines bombardearon agua pura con un haz de neutrones y observaron la emisión de fotones.

La existencia de los otros dos ‘sabores’, los neutrinos tauónicos y muónicos, no se determinó hasta 1987 por Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger.

Implicaciones cosmológicas del neutrino

Esta partícula tiene una masa extremadamente reducida, pero su elevada velocidad e ingentes números la convertían en candidata a tener un gran papel en el destino último del Universo en su conjunto.

“Si la masa de los neutrinos es suficiente, pueden determinar como será el final del Universo“

Este destino está determinado en última instancia por la cantidad de masa que lo compone: si hay poca la expansión iniciada por el Big Bang continuará, y el Cosmos morirá de muerte térmica, transformado en un lugar frío y desolado.

Pero si hay suficiente la fuerza gravitatoria de la materia acabará por detener la expansión y revertirla, con lo que el Fin del Universo será un Big Crunch. Si el neutrino tenía masa, después de todo, y era lo bastante alta podía determinar el resultado.

En 1998 aparecieron las primeras estimaciones precisas de su masa, que resultó ser demasiado pequeña para que juegue un papel vital en el destino del Universo. La materia oscura existe, pero los neutrinos no forman parte de ella.