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La partícula que puede provocar una revolución en la física

El neutrino, una partícula tan extraña que se la ha definido como un cuchillo muy afilado sin mango ni hoja, puede poner patas arriba el edificio tan cuidadosamente levantado por los físicos de partículas.

Para entender porqué el neutrino puede provocar una revolución debemos de hacer algo de historia. A principios de los años 60 la situación de la física teórica era, por decirlo finamente, caótica. Los aceleradores de partículas escupían partículas nuevas día sí, día también; hablar entonces de ‘partículas elementales’ era motivo de cachondeo. Pero entonces entró en juego Murray Gell-Mann y en 1962 anunció una forma de agrupar las partículas que llamó “el Camino Óctuple”, en clara alusión a la filosofía budista. Su teoría –que también fue formulada independientemente por el israelí Yuval Ne’eman- lanzó al ruedo de la física los quarks. Desde entonces los físicos teóricos han ido construyendo un delicado edificio para describir el mundo de las partículas elementales. Ese edificio recibe el nombre de El Modelo Estándar de la Física de Partículas.

Los ladrillos de la materia

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La partícula que puede provocar una revolución en la física

En esencia parte de la hipótesis de que existen dos familias principales de partículas elementales: los quarks y los leptones. Así, los protones y neutrones están compuestos por tres quarks mientras que el electrón es un leptón y no está compuesto por nada más pequeño. Para complicar más las cosas, se sabe que existen seis tipos de quarks y seis tipos de leptones que se agrupan de dos en dos formando tres familias. En definitiva, el Modelo Estándar está compuesto por las siguientes partículas: los quarks arriba y abajo -que forman la primera familia-, encanto y extrañeza, y cima y valle.
Los leptones, que también son seis, se agrupan de este modo: el electrón y su neutrino, el muón y su neutrino y el tauón con su correspondiente neutrino. Los físicos, en un alarde de imaginación, llaman a cada uno de estos tipos un sabor aunque, en realidad, sus nombres tienen muy poco sabor. La materia que vemos a nuestro alrededor está compuesta por la primera familia de quarks y de leptones: con las otras se construyen las peculiares partículas que aparecen en los rayos cósmicos y los aceleradores de partículas. Con el paso de los años el Modelo Estándar se fue consolidando y a principios de este siglo solo quedaban pequeños retazos.

La agonía y el éxtasis

Y llegó el 4 de julio de 2012, el gran momento de gloria de la física de partículas. En una multitudinaria rueda de prensa en el CERN (Ginebra) se anunciaba la detección de la partícula por la que, en gran medida, se decidió construir el acelerador LHC: el bosón de Higgs. La fiesta estaba justificada pues desde la detección del quark top los físicos de partículas llevaban casi 20 años sin nada interesante que llevarse a la boca. Su detección dio el espaldarazo definitivo al Modelo Estándar, pues los experimentos realizados desde 2012 han ido confirmando que tiene las propiedades que predice la teoría.
Claro que en una esquina oscura del modelo hay un incómodo visitante que se niega a adaptarse a ese edificio teórico tan bien construido: el neutrino. Durante la segunda mitad del siglo XX, y a medida que progresaba la experimentación con esta elusiva partícula, se iba pergeñando su papel en el Modelo Estándar: es la única partícula material con masa cero; hay exactamente tres tipos de neutrinos -electrónico, muónico y tauónico-; y los neutrinos y sus correspondientes antipartículas son diferentes, distinguiéndose por una característica llamada helicidad -una versión de lo que en nuestro mundo cotidiano consiste en girar a derechas (dextrógiro) o a izquierdas (levógiro)-: todos los tipos de neutrinos son levógiros y sus antineutrinos, dextrógiros. Esta es una propiedad permanente y no puede cambiar (un neutrino no puedo ser dextrógiro) porque su masa en reposo es cero.
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Neutrinos

Todo iba bien hasta que en la década de 1960 Ray Davis, del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE UU), se le ocurrió estudiar los neutrinos producidos en el Sol por las reacciones nucleares de fusión: cada vez que cuatro núcleos de hidrógeno se convierten en uno de helio se producen dos neutrinos, que inmediatamente escapan al espacio. La cantidad de neutrinos disponibles es realmente muy alta: el Sol produce más de 200 billones de billones de billones de ellos cada segundo. Pero como son tan difíciles de detectar, Davis tuvo que llenar un tanque con 600 toneladas de percloroetileno -un compuesto que se usa en la limpieza en seco- y enterrarlo bajo toneladas de roca; de esta forma quedaba blindado de cualquier influencia externa, como los rayos cósmicos. La sorpresa llegó en 1968: Davis detectó sólo un tercio de los neutrinos que predecía la teoría. Así nació lo que se conoce desde entonces como "el problema de los neutrinos solares". ¿Qué demonios estaba pasando en el Sol?

El neutrino cambia de traje

Bruno Pontecorvo

Bruno PontecorvoBruno Pontecorvo

Curiosamente la solución la había proporcionado en 1957 un físico italiano llamado Bruno Pontecorvo. Siete años antes, el 31 de agosto de 1950, mientras estaba de vacaciones en Italia, viajó repentinamente a Estocolmo con su mujer y sus hijos. Al día siguiente agentes del KGB les ayudaron a entrar en la Unión Soviética por Finlandia, donde fue recibido con honores. En la URSS recibió los privilegios que esta sociedad, supuestamente socialista e igualitaria, tenía reservado para la nomenklatura, los funcionarios de más alto rango.
Pontecorvo demostró tener una intuición física incomparable, sobretodo en el campo de los neutrinos. Entre otras ideas geniales, Pontecorvo planteó que quizá podían cambiar de traje y convertirse en otros tipos de neutrinos, un fenómeno conocido como la oscilación del neutrino. Las reacciones nucleares en el interior del Sol producen neutrinos electrónicos, por lo que el equipo de Davis solo detectaba ese tipo. ¿Pero y si durante su camino a la Tierra cambiaba, convirtiéndose en alguno de los otros dos? Esa era la única explicación posible, pero se necesitaba demostrar experimentalmente.
Eso llegó en 1998 de la mano del físico japonés Takaaki Kajita: descubrió que cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera terrestre los neutrinos muónicos que se generan 'cambian de traje', oscilan, antes de alcanzar el detector colocado bajo el monte Kamioka, en Japón. Era la confirmación experimental que todo el mundo estaba esperando. Los neutrinos nos van a decir por dónde se puede mover la futura física de partículas”, comentó entonces con satisfacción José Bernabeu, del Instituto de Física Corpuscular y uno de los mayores expertos en neutrinos de España; no por nada se ganó el sobrenombre de Don Neutrino.

Una solución y un problema

La oscilación del neutrino es una patada en la boca del estómago del Modelo Estándar porque exige que los neutrinos deben tener masa (de hecho, lo hacen con una frecuencia que es proporcional a su masa) y la teoría dice que no la tienen. La física Concha González-García, catedrática ICREA del Instituto de Física Corpuscular de Valencia y de la Universidad Stony Brook de Nueva York, una de las mayores expertas mundiales en teoría de neutrinos, lo ha dicho con claridad: “Nos vamos a encontrar con una nueva física”. ¿Qué va a pasar con el Modelo Estándar? Eso nadie lo sabe pero lo seguro es que esa casi indetectable partícula nos va a decir por dónde se puede mover la futura física de lo muy pequeño. De hecho, aún está por decidirse si el neutrino es del tipo Dirac (una partícula y su antipartícula son cosas diferentes) o de tipo Majorana (la partícula es su propia antipartícula). Lo más fascinante es que no se ha encontrado ninguna partícula material que sea del tipo Majarona. ¿Lo será el neutrino?

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