El casi inexistente neutrino

Llenado de agua del gigantesco observatorio Kamiokande en 2006. Cada semiesfera
plateada es un fotomultiplicador-detector de neutrinos.
(© Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo)

Miles de millones nos atraviesan a cada segundo sin que lo notemos, sin que lo podamos notar, pues los neutrinos son la más extraña de las partículas elementales (el zoo de partículas) que componen nuestro universo. Los neutrinos son la partícula con masa más abundante del universo, sólo por debajo de los fotones, que componen la luz y que no tienen masa. Se producen en las reacciones nucleares, tanto de fusión como de fisión (la mayor fuente de neutrinos que tenemos al alcance es nuestro propio sol) y en las supernovas cuando estallan.

Los neutrinos tienen masa. Muy pequeña. Tanto que hasta 1998 se pensaba que no la tenía, que era una especie de partícula fantasma. Estas partículas no tienen carga eléctrica, viajan casi a la velocidad de la luz y son tan pequeños. Hacen falta diez millones de ellos para tener la masa de un electrón. Esas características han hecho tan difícil su estudio, ya que los neutrinos prácticamente no interactúan con el resto de la materia. Los neutrinos no son afectados así por dos de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, la electromagnética y la fuerza nuclear fuerte. Sí les afecta la fuerza nuclear débil, pero ésa sólo tiene efectos en distancias muy cortas, y sí les afecta la gravedad mínimamente, en relación a su masa. Así que no suelen afectar a otras partículas ni, a su vez, verse afectados por ellas. Casi todos los neutrinos que llegan a la Tierra pueden atravesarla de lado a lado sin interactuar con ninguna otra partícula a su paso, como una nave viajando en el espacio no podría encontrarse al azar con casi ningún cuerpo estelar. Vale la pena recordar aquí que lo que nos parece materia sólida (y líquida) en realidad está formada principalmente por espacio vacío.

Pero, pese a ser tan pequeño y tan etéreo, el neutrino es fundamental para entender el universo a nuestro alrededor. Por poner sólo un ejemplo, si podemos determinar el origen de los neutrinos que llegan a la Tierra, quizá podríamos determinar de dónde proceden los rayos cósmicos que nos bombardean incesantemente, rayos de una enorme energía, tanta que no la hemos podido reproducir en nuestros laboratorios.

La existencia de lo que hoy llamamos neutrino fue propuesta en 1931 por el físico teórico Wolfgang Pauli, uno de los pioneros de la física cuántica y Premio Nobel en 1945. En sus cálculos, determinó que la energía no parecía conservarse en la desintegración radiactiva llamada “beta”, donde un neutrón del núcleo de un átomo radiactivo se convierte en un protón y un electrón. En el proceso radiactivo se había perdido algo de energía. Y como la energía ni se crea ni se destruye, Pauli pensó que podría haber sido tomada por una partícula neutral en aquellos años indetectable. Tres años después, otro físico, Enrico Fermi, le dio a esa partícula el nombre de “neutrino”, es decir, “el pequeño neutral”, que era fundamental para explicar la desintegración radiactiva tal como se observaba en los experimentos realizados por entonces.

Pero fue necesario esperar hasta 1956 para que Clyde Cowan y Frederick Reines consiguieran demostrar la existencia de dichas partículas utilizando un reactor nuclear como fuente de neutrinos. El descubrimiento de los llamados “neutrinos electrones” le valió a Reines el premio Nobel de física por su parte en el descubrimiento. Desafortunadamente, como ha ocurrido en otros casos, la muerte prematura de Cowan le impidió ser galardonado con el premio, ya que no se otorga post mortem.

Los neutrinos también se pueden encontrar en otras formas o “sabores”, el neutrino muón (hallado en 1961 por Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger, en el CERN, hoy famoso por su acelerador de partículas, el LHC), y el neutrino tau, extremadamente escaso y de vida muy corta, que no pudo observarse sino hasta el año 2000 también en el CERN.

La característica más peculiar de los neutrinos es que, a diferencia de las demás partículas elementales, están “oscilando” continuamente, es decir, cambiando de sabor. Y, además, pueden tener una mezcla de sabores, es decir, pueden tener parte de neutrino electrón y parte de neutrino muónico.

Decíamos que casi todos los neutrinos que llegan a nuestro planeta lo atraviesan sin interactuar con ninguna partícula. Para percibir a algunos de los pocos que sí interactúan, sin embargo, necesitamos sistemas enormes que estén aislados de otras formas de radiación. Para ello, los observatorios de neutrinos se ubican a gran profundidad en la tierra, donde no pueden llegar los rayos cósmicos y otras partículas.

Uno de los observatorios de neutrinos más impresionantes que existen es el Super Kamiokande, aunque no se parece a nada de lo que solemos llamar observatorio. Se trata de un tanque cilíndrico de acero inoxidable de 40 por 41 metros situado a mil metros de profundidad, en la antigua mina de Mozumi, que contiene 50.000 toneladas de agua ultrapura. El tanque está rodeado por más de 11.000 tubos capaces de multiplicar cualquier pequeñísimo destello de luz decenas de millones de veces. El funcionamiento del observatorio es el siguiente: cuando ocurren eventos como la desintegración de un protón o que una partícula colisione con un electrón o el núcleo de un átomo del agua, éstos provocan un cono de luz. El fenómeno, llamado “radiación de Cherenkov”, es percibido como un tenue anillo de luz por los tubos detectores. los datos de los distintos tubos que registran la luz permiten saber qué partícula los ha provocado. Estos detectores, por ejemplo, consiguieron registrar, en 1987, 11 neutrinos provenientes de la explosión de una supernova.

¿Qué relación tienen los neutrinos con las partículas a las que están asociados (electrón, muón, tau)? ¿Por qué y cómo oscilan o cambian de uno a otro mientras recorren el universo a velocidades tan enormes? ¿Tienen que ver los neutrinos, como algunos físicos sospechan, con la materia oscura y la energía oscura que forman el 95% de nuestro universo y que aún no hemos podido detectar? Éstas son algunas de las preguntas que animan la investigación de los neutrinos. Enormes, costosos, delicadísimos aparatos a cargo de mujeres y hombres altamente preparados que investigan unas partículas casi inexistentes.

En la cultura popular En 1959, el poeta estadounidense John Updike escribió un poema sobre los neutrinos que ya decía que para ellos “la tierra sólo es una bola sin sentido”. En 1976, la banda canadiense de rock progresivo Klaatu grabó la canción El pequeño neutrino, de Dee Long, que desafiantemente dice “Yo mismo me niego a ser / soy alguien a quien nunca conocerás / Soy el pequeño neutrino / Y ahora estoy atravesando / Al que se conoce como tú / Y sin embargo nunca sabrás que lo hago”. Visto así, no deja de ser levemente inquietante.