El neutrino es caprichoso

Breve comentario sobre el premio Nobel de física 2015

Regreso, tras muchos años, a un par de ensayos del maestro Asimov⁽¹⁾. No es casual esta relectura, impulsada por la concesión del premio Nobel de física 2015, que quiero comentar en esta nota. Los ensayos, como el premio, tratan sobre las más insignificantes de las partículas conocidas; las más cercanas a ser "nada", pero que, paradójicamente, podrían guardar el secreto sobre "todo". Por supuesto, se trata de los neutrinos. A pesar de los años transcurridos desde que esos ensayos se escribieron, la década de los ochenta del siglo XX, se leen con deleite y admiración, tocados por el estilo inconfundible del gran divulgador de la ciencia. Muchas de las ideas que se comentan en ellos ya han sido superadas por los resultados científicos actuales. Sin embargo, aún contienen la explicación más clara, y que ha sido copiada muchas veces desde entonces, del fenómeno conocido como las  oscilaciones de los neutrinos. El premio Nobel de 2015 reconoce, precisamente, el descubrimiento de esas oscilaciones y su impactante conclusión: los neutrinos tienen masa.

Las oscilaciones de los neutrinos son un fenómeno sorprendente y fascinante. Una consecuencia directa de la estructura cuántica de la realidad, extremadamente similar al archiconocido experimento de la doble rendija de Young, donde se observa la identidad dual onda-partícula de la materia. Para entender mejor las oscilaciones creo necesaria una introducción previa.

Hoy en día, en el primer cuarto del siglo XXI, la humanidad tiene una teoría que explica la materia y sus interacciones: el modelo estándar. A pesar de su insulso nombre, el modelo estándar es uno de los logros intelectuales supremos de la especie humana. Explica la estructura de la materia en términos de un conjunto reducido y bien caracterizado de partículas y fuerzas fundamentales, regidas por un sistema abstracto de simetrías, uno de los descubrimientos más profundos que la ciencia ha hecho sobre la realidad que nos rodea. Por lo que se sabe hoy en día, estas partículas carecen de estructura interna. Son elementales, o lo que es lo mismo, no están formadas por entidades más pequeñas; y además son puntuales. Es decir, son los verdaderos átomos de Demócrito y Leucipo.

El modelo estándar nos dice que hay 2 tipos generales de partículas. Los fermiones, que son los constituyentes básicos de la materia, y los bosones, que son las partículas transmisoras de las fuerzas fundamentales. Estas partículas se estructuran de una manera ordenada por los principios de simetría subyacentes, de manera que hay tres copias idénticas de los fermiones, que comparten propiedades físicas y tan sólo se diferencian entre sí por las masas de las partículas que las forman. Estas copias se denominan generaciones. Toda la materia que vemos a nuestro alrededor está formada por las partículas de la primera generación. La existencia de las otras generaciones, aunque necesaria para la coherencia del modelo estándar, es uno de los misterios que todavía debe aclarar la física actual. De hecho, esta estructura está duplicada, puesto que cada partícula tiene su antipartícula, de igual masa pero con todas sus cargas opuestas. Un esquema de esta estructura se ve en la Ilustración 1.

Ilustración 1: Estructura en generaciones de los fermiones del modelo estándar. Se distinguen dos grandes grupos de partículas: los quarks, que forman los núcleos atómicos, y los leptones, cuyo representante de la primera generación, el electrón, se sitúa en la corteza atómica. Los neutrinos son los leptones neutros asociados al electrón, al muón y al tau. (Imagen tomada de wikipedia)

Dentro de los fermiones hay, a su vez, dos grandes grupos de partículas. Los quarks, que forman los protones y neutrones de los núcleos atómicos; y los leptones, cuyo representante más habitual, el electrón, se sitúa en las capas externas de los  átomos. El otro tipo de leptón, el neutrino, tiene menos influencia en el mundo cotidiano. Sin embargo, estas partículas son muy abundantes. De hecho, cada centímetro cuadrado del cuerpo de una persona es atravesado por unos cien mil millones de neutrinos por segundo, en su inmensa mayoría procedentes del Sol, sin que lo notemos en absoluto.

Todas estas partículas interaccionan entre ellas para formar el mundo que conocemos a través de cuatro fuerzas: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. La gravedad es muchísimo más débil que el resto de las fuerzas fundamentales, por lo que en los experimentos de física de partículas su influencia es tan pequeña que no es necesario incluirla en las descripciones teóricas. En estas condiciones, los neutrinos son especiales, ya que son las únicas partículas que tan solo se ven afectados por la fuerza nuclear débil. No tienen carga eléctrica, por lo que no interaccionan electromagnéticamente, ni carga de color, por lo que tampoco se ven afectados por la fuerza fuerte. Esta disposición es la que dota a los neutrinos de sus propiedades características. Apenas interaccionan con la materia, siendo capaces de atravesar el planeta Tierra sin dificultad. Y sin embargo, en los últimos 50 años, hemos sido capaces de ir desarrollando técnicas que nos permiten su detección, y que aunque de una dificultad extrema, nos han permitido ir descubriendo cada vez más propiedades de estas esquivas partículas. Y muchas de esas propiedades han resultado ser sorprendentes. En especial, las oscilaciones.

Para medir neutrinos son necesarias varias condiciones. En primer lugar, una fuente suficientemente intensa. Típicamente sólo uno de cada 10¹⁶ queda registrado al atravesar un detector especialmente diseñado para esta tarea. Tales fuentes pueden ser naturales, como el Sol, las explosiones de supernovas o la interacción de los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre; o artificiales, como los reactores nucleares o los aceleradores de partículas. En segundo lugar, detectores tan grandes como sea posible, de tal manera que se acumule una gran cantidad de materia y maximice la probabilidad de que un neutrino interaccione en el detector y se mida. Y además, es necesario que estén completamente aislados. Las señales de los neutrinos son tan débiles que cualquier pequeña interferencia podría confundirse con ellas. Por eso estos experimentos se colocan en enormes laboratorios subterráneos, protegidos de cualquier perturbación externa. Los detectores suelen ser gigantescos tanques llenos de agua o de otros líquidos rodeados de fotomultiplicadores, unos dispositivos capaces de detectar intensidades de luz muy pequeñas. Cuando un neutrino colisiona con uno de los átomos produce electrones, muones o taus, que a su vez dan lugar a señales luminosas recogidas en los fotomultiplicadores. Esto nos proporciona una especie de fotografía de la interacción del neutrino. Las propiedades de esas señales luminosas permiten identificar la generación a la cual pertenece el leptón producido.

Pues bien, cuando se realizaron las primeras mediciones de la cantidad de neutrinos que llegan a la Tierra procedentes del Sol, saltó la sorpresa. Desde el primer momento, se observó que el número de neutrinos era menor que el que se esperaba. El modelo estándar predecía que los experimentos deberían observar un neutrino al día, mientras que lo que se veía eran dos por semana. Los procesos físicos que hacen brillar el Sol son bien conocidos, por lo que algo les debía ocurrir en su viaje desde el Sol a la Tierra, que hacía "desaparecer" dos de cada tres. El puzle de los neutrinos solares estuvo rondando más de 30 años hasta su resolución mediante las oscilaciones.

Los neutrinos son camaleones cuánticos. Los que se producen en el Sol son de la primera generación, tipo electrón. Pero van cambiando su identidad con el tiempo, y se transforman (oscilan) en los de las otras dos. Los experimentos que detectaban neutrinos solares estaban diseñados para observar sólo los de tipo electrón, y por eso "desaparecían". Habían cambiado su identidad a las otras generaciones, indetectables en dicho experimento. Para confirmar esta hipótesis se diseñó otro experimento capaz de detectar todos los tipos de neutrinos, que, efectivamente, observó el número esperado, confirmando espectacularmente que los neutrinos cambian su identidad periódicamente. Desde entonces, se han realizado multitud de experimentos con haces de neutrinos artificiales, preparados en condiciones controladas, que han confirmado las oscilaciones y han permitido medir sus propiedades con precisión.

La consecuencia más importante de la existencia de las oscilaciones de los neutrinos es que implican que estos son partículas con masa. Cada uno de los tres tipos de neutrino posee una masa diferente. Esto fue una sorpresa, puesto que en el modelo estándar se suponía que carecían de ella. La razón por la que las oscilaciones implican neutrinos masivos es la siguiente. Los neutrinos experimentan el paso del tiempo, ya que inicialmente son de tipo electrón, mientras que más tarde resultan ser de otros tipos. Sin embargo, si fuesen partículas sin masa, obligatoriamente deberían moverse a la velocidad de la luz y por tanto, como dice la teoría de la relatividad, no experimentarían el tiempo y no oscilarían. La consecuencia, por tanto, es que al oscilar y experimentar el paso del tiempo, deben tener masa no nula.

El fenómeno de las oscilaciones de los neutrinos es una consecuencia directa de la mecánica cuántica. Aunque sus masas no son nulas, tienen valores muy pequeños, fuera del alcance de nuestra capacidad actual de medida. La manera en la que se identifican los neutrinos, como hemos dicho antes, es midiendo si la partícula asociada es un electrón, un muon o un tau, pero no midiendo la masa directamente. Esta situación es similar a la que se da en el experimento de la doble rendija. Si el experimentador no observa por qué rendija pasa la partícula, encontrará en la pantalla un patrón de interferencia correspondiente a una onda. En este caso, al no observar la masa, se produce una mezcla de los tres estados posibles. Este es el origen de las oscilaciones. Los neutrinos están en un estado cuántico de superposición, que implica que la probabilidad de que lo observemos como tipo electrón, muón o tau cambia con el tiempo, tal y como se ha observado. Las oscilaciones son consecuencia directa de la naturaleza cuántica de las partículas.

Todavía quedan muchos misterios que resolver en la fisica de los neutrinos. Las medidas realizadas hasta la fecha demuestran que las masas de los diferentes tipos  son distintas entre sí. Sin embargo, todavía no hemos sido capaces de determinarlas. Tan solo conocemos la diferencia entre las masas de las tres generaciones de neutrinos. De hecho, no sabemos todavía qué especie es la más pesada y cuál la más ligera. Sin embargo, la razón de que las oscilaciones de los neutrinos sean hoy en día uno de los temas más importantes de la física es otra. Se trata de entender si los neutrinos y los antineutrinos oscilan de la misma manera o no. Si son diferentes, esto podría explicar por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria. Por eso decíamos al principio que los neutrinos, que son casi "nada", pueden guardar el secreto de "todo". Incluso podría ocurrir que los neutrinos fuesen su propia antipartícula (partículas de Majorana) abriendo una ventana a la física mas allá del Modelo Estándar. 

El premio Nobel de física 2015 reconoce a los responsables de los experimentos SuperKamiokande (T. Kajita) y Sudbury Neutrino Observatory (A. B. McDonald). El primero fue el que detectó el déficit de neutrinos tipo electrón procedentes del Sol. El segundo demostró que ese déficit estaba producido por su transmutación en los otros tipos durante su viaje desde el Sol hasta la Tierra. Estos resultados colocan la física de los neutrinos como uno de los caminos más prometedores para descubrir nuevas propiedades de nuestro universo, que nos permitan explicar los enigmas de la física actual. 

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⁽¹⁾ Se trata de "nada y todo" y "todo y nada", incluidos en la recopilación "contando los eones" ed. Plaza y Janés, Barcelona (1984). El original inglés es "Counting the eons", ed. Doubleday, New York (1983). Este es uno de los volúmenes donde se recogen los ensayos publicados por Asimov en "The Magazine of Fantasy and Science Fiction".