Lo que ya sabemos de los neutrinos y lo que aún queda por descubrir
  1. Tecnología
una partícula esquiva y compleja

Lo que ya sabemos de los neutrinos y lo que aún queda por descubrir

Los neutrinos, protagonistas del Nobel de Física 2015, son partículas elementales especialmente complejas de estudiar por su diminuto tamaño y sus peculiares características

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En 2013 fue el bosón de Higgs y este los neutrinos. La física de partículas es siempre candidata al premio Nobel porque sus avances son escalones en algo tan fundamental como saber qué somos, de qué estamos hechos, y cada descubrimiento abre nuevos caminos por donde seguir avanzando.

Son sin embargo materias siempre complejas de explicar por lo alejadas que quedan de la vida cotidiana. Si el bosón se abrió camino en nuestras cabezas gracias a la analogía con Iniesta cruzando una habitación llena de gente, los neutrinos logran impactarnos por las espectaculares imágenes de los gigantescos detectores que se utilizan para estudiarlos.

El japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur B. McDonald, receptores del premio, han dedicado su carrera a estos experimentos. Su confirmación en 1998 de que los neutrinos son partículas con masa"ha transformado nuestra comprensión sobre el comportamiento más interno de la materia y puede ser crucial para entender el universo", se leía en el anuncio del premio.

Sabedores de que se trata de una rama de la física de partículas donde algunas de las cuestiones fundamentales aún estar por responder, equipos de todo el mundo estudian los neutrinos, de forma que el conocimientos sobre ellos ha avanzado mucho en los últimos años. Aquí va una recopilación de algunas cosas que sabemos sobre ellos, y otras que aún están por responder.

Qué sabemos de los neutrinos

1. Que los neutrinos existen, y que sin ellos no podríamos explicar la desintegración del neutrón

Los neutrinos son una partícula muy, muy pequeña, que se mueve casi a la velocidad de la luz y que apenas interacciona con la materia. Habría sido muy fácil que su presencia nos pasase desapercibida, y durante mucho tiempo fue así.

Sin embargo, como ocurre a menudo en física, su existencia se dedujo a partir de otros fenómenos que solo encajaban con las leyes físicasque conocemos si se incluía en la ecuación ésta nueva partícula. Concretamente, los científicos parten de un fenómeno llamado desintegración radiactiva doble beta, “en la que dos de los neutrones del átomo se transforman en protones y en el proceso emiten dos electrones y dos neutrinos (aunque estos se escapen sin ser detectados”, explicaba a Teknautas J. J. Gómez Cadenas, profesor de investigación del CSIC y miembro del Instituto de Física Corpuscular de Valencia.

Gómez Cadenas y su equipo trabajan en experimentos basados en este fenómeno. Lo que hacen es confinar un elemento, un isótopo de xenón-136 y esperar a que se dé una desintegración de ese tipo. Midiendo la energía de los dos electrones emitidos, ésta debería corresponder a la diferencia de masas entre el núcleo original (xenón-136) y el resultante (bario-136).

Su existencia se dedujo a partir de otros fenómenos que solo encajaban con las leyes físicas conocidas si se incluía en la ecuación ésta nueva partícula

Pero esto no es exactamente así, la suma no se corresponde exactamente y los científicos concluyeron que solo podía explicarse si había en juego una partícula más, con masa pequeña e interacción débil: el neutrino.

2. De dónde vienen los neutrinos

Existen varias fuentes de neutrinos, con el Sol como principal origen de los neutrinos que llegan a la Tierra. Se generan en los procesos de desintegración beta que tienen lugar en su núcleo y escapan de él llegando hasta nuestro planeta y atravesándolo también. Otros fenómenos astrofísicos, como las supernovas, generan potentes corrientes de neutrinos, y de hecho los científicos se plantean si no sería posible desarrollar un registro de supernovas a través de los neutrinos que han ido generando y que seguirían viajando por el universo y atravesando la materia a su paso.

Los científicos se plantean si no sería posible desarrollar un registro de supernovas a través de los neutrinos que han ido generando

En la Tierra, los neutrinos se generan de varias formas. Una de ellas es el choque de los rayos cósmicos contra la atmósfera, en el que los primeros se desintegran, creándosegrandes cantidadesde neutrinos. Otra son las centrales nucleares y los aceleradores de partículas, en las que se generan reacciones de desintegración atómica que también tienen como resultado la expulsión de neutrinos.

3. Que son extremadamente difíciles de observar

Los neutrinos son esquivosporque son muy difíciles de ver y de estudiar. La causa está en su leve, casi nula, interacción con la materia, que impide estudiar sus propiedades. Si cada día millones de neutrinos atraviesan nuestro cuerpo sin que nos demos cuenta, ¿qué tipo de instrumentos podríamos diseñar para atraparlos, observarlos y estudiarlos?

La respuesta parece sacada de una película futurista. Varios equipos científicos de todo el mundo, entre ellos los encabezados por Kajita y McDonald pero también hay algunos en España como el que lidera Gómez-Cadenas, se han metido bajo tierra, a cientos de metros de profundidad, y han construido enormes detectores. Se trata de depósitos de agua, o de otros fluidos (el experimento NEXT trabaja con el isótopo 136 del xenón), cuyas paredes interiores han sido cubiertas con fotomultiplicadores.

La intención es que la roca a su alrededor detenga la radiación omnipresente en el universo y deje pasar solo los preciados neutrinos, que interaccionarían con las moléculas contenidas en el detector, generando así una señal recogida por los fotomultiplicadoresdando a los científicos la información necesaria para conocerlos cada vez mejor.

4. Que, de hecho, la primera observación de neutrinos cósmicos fue casual y también fue premiada con un Nobel de Física

En 1987 tuvo lugar la supernova SN1987a, que fue para los físicos de partículas especializados en neutrinos “un regalo divino”. Así lo reconoce Luis Labarga, físico teórico de la Universidad Autónoma de Madrid y participante en el experimento Super-Kamiokande, liderado por Kajita.

“Una supernova es un fenómeno con un enorme potencial en cuanto a información científica. La de 1987 se captó con telescopios, y en Kamiokande (donde por entonces buscaba pruebas de la desintegración de otra partícula, el protón, y para lo que la interferencia de los neutrinos era una molestia más que un resultado) pensaron que semejante emisión tenía que haber dejado alguna señal en sus sensores”. Cuando acudieron a los registros, allí estaba, alta y clara, la huella de los neutrinos de la supernova.

Fue la primera vez, y hasta hace unos pocos años la única, que se captaron neutrinos cósmicos y el avance le valió al japonés Masatosi Kosiba, el Nobel de Física en 2002.

5. Que, efectivamente, tienen masa

Probada la existencia de los neutrinos, quedaba mucho que saber sobre ellos. Para empezar, si tenían masa o no, algo sobre lo que los científicos especulaban sin llegar a confirmar una cosa ni otra. “Una forma de probar que el neutrino sí tiene masa es buscar oscilaciones”, explica Labarga. Existen distintos tipos de neutrinos (electrónicos, muónicos y tauónicos), y una oscilación sería un cambio de un tipo a otro. Si los neutrinos emitidos desde un punto se captaban en otro y habían variado por el camino, eso querría decir que tienen masa, aunque sea muy, muy pequeña.

Sobre la atmósfera terrestre inciden rayos cósmicos desde todas direcciones y sobre toda la superficie, lo cual genera haces de neutrinos de forma aleatoria y en todos los sentidos. Como además prácticamente no interactúan con la materia, éstos atraviesan la Tierra sin dificultad. Por ello, debían llegar a los detectores subterráneos aproximadamente la misma cantidad de neutrinos desde todas direcciones.

Pero no era así. Muchos más entran en Súper-Kamiokande (la segunda generación del gran experimento japonés)procedente de arriba que del otro lado de nuestro planeta, lo cual indicaba a los científicos que estos últimos sufrían un cambio por el camino, lo que suponía que debían tener masa.

Se realizaron experimentos posteriores, en los que un acelerador de partículas generaba haces de neutrinos controlados y los enviaba en dirección al detector de Súper-Kamiokande. Los resultados eran consistentes con los primeros resultados obtenidos: “Lo que se veía era compatible con las oscilaciones de los neutrinos, lo que sirvió para reconfirmar que sí tienen masa”.

El laboratorio de McDonald, llamado Sudbury Neutrino Observatory obtuvo las mismas conclusiones cuando tras dos años de operación, en vez de los nueve neutrinos solares diarios que predecían los modelos teóricos, solo captó tres al día. "La desaparición de dos tercios de los neutrinos solares durante su trayecto se debe a que han oscilado a neutrinos muónicos y neutrinos tau que SNO no puede detectar", explica Francisco Villatoro en este post.

Lo que todavía no sabemos

1. Cómo encajar la masa de los neutrinos con el modeloestándar

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales y las partículas elementales que componen la materia. Es una buena explicación de cómo funciona el universo en su nivel más básico, pero tiene varios fallos que los científicos intentan explicar, y uno de ellos es que, según esa teoría, los neutrinos no tienen masa.

La razón es que hay dos posibilidades respecto a la naturaleza de los neutrinos, y aún no se sabe cuál es la correcta. Podrían ser partículas de Dirac(son diferentes de su antipartícula) o son partículas de Majorana (son idénticos a su antipartícula). Además de resolver esta incógnita, sobre la que hablaremos un poco más en el siguiente punto, harían falta nuevos desarrollos más allá del modelo estándar para explicar el origen de la masa de los neutrinos.

2. Si son, o no, su propia antipartícula.

Todas las partículas que forman la materia tienen su propia antipartícula excepto una. “Creemos que hay una partícula, y solo una, que tiene propiedades de materia y antimateria, es decir, que al desintegrarse puede dar como resultado una o la otra”, explica J.J. Gómez Cadenas

Creemos que hay una partícula, y solo una, que tiene propiedades de materia y antimateria, es decir, que al desintegrarse puede dar como resultado una o la otra

De momento es una teoría que busca ser confirmada, y es algo que Gómez Cadenas y su experimento NEXT están intentando. Para ello, bajo una montaña de Huesca han montado un laboratorio para cazar la ambivalencia del neutrino, estudiando el fenómeno de la desintegración radiactiva doble beta.

Si su sospecha es cierta, existe un proceso alternativo en el que los dos neutrinos que se generan durante esa desintegración son uno partícula y otro antipartícula, y se aniquilan incluso antes de producirse, algo que podrían captar si al sumar la energía cinética de los dos electrones despedidos al desintegrarse los neutrones, ésta corresponde con la diferencia de masa entre el isótopo de xenón-136 y el del bario-136. Si nada sobra ni falta es que no hay neutrinos, y si no hay neutrinos, es que estos se han aniquilado, algo que solo puede ocurrir si uno es materia y el otro antimateria.

3. Y, por lo tanto, si son el origen de toda la materia que forma el universo.

Si los neutrinos son a su vez su propia antipartícula, esto puede tener implicaciones respecto a la formación de la materia que compone el mundo visible en el que vivimos.

Los científicos sostienes que en el momento del BigBang se originó toda la materia del universo, y que por cada partícula de esa materia hay una de antimateria. Aunque esto se ha podido probar en el laboratorio, no deja de plantear una pregunta: si el universo es simétrico en materia y antimateria, ¿por qué no solo no vemos la antimateria, sino que tampoco encontramos rastro de ella, aunque debería ser tan abundante como la materia? Una respuesta podría ser que toda la que se generó en aquella explosión se destruyó al chocar con la materia.

Pero entonces, si ambas cantidades eran iguales y se aniquilaron mutuamente, ¿de dónde ha salido toda la materia que forma nuestro mundo? Gómez Cadenas tiene una hipótesis: en algún momento algo desequilibró la balanza en favor de la materia, y opina que pudo ser una partícula capaz de actuar como agente doble: el neutrino.

Ahora, con su experimento NEXT, está tratando de comprobar si su hipótesis es acertada. "Esa partícula habría aparecido en el instante inicial del universo, desintegrándose por igual en materia y antimateria, excepto por un poco que favorecería a la materia. Así que en el universo primigenio, la materia y la antimateria se aniquilarían mutuamente excepto por ese exceso de materia que sería lo único que sobrevivió y lo que formó todo lo que hoy observamos".

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