El misterio de la masa del neutrino

Esta partícula subatómica es tan elusiva que todavía no sabemos ni porqué tiene masa ni porqué su valor es tan pequeño.

 

Todo en esta partícula es un misterio, empezando por su misma existencia, que fue predicha teóricamente en 1930 por Wolfgang Pauli para resolver un problema que traía de cabeza a los físicos: la desintegración beta. Es un tipo de desintegración radiactiva por la que un átomo inestable emite un electrón (o su antipartícula, un positrón). Pauli tenía una razón de peso para afirmar que debía existir, pues si no fuera así una de las más sacrosantas leyes de la física, la conservación de la energía, no se aplicaba a este tipo de desintegración radiactiva. La nueva e hipotética partícula debía encontrarse en el núcleo del átomo y emitirse junto con el electrón al producirse la desintegración. Eso llevaba a otro problema, pues en el interior del núcleo no hay electrones. ¿De dónde venían?

En 1934 otro de los grandes de la física, Enrico Fermi, planteó su teoría de la desintegración beta: un neutrón del núcleo se desintegraba produciendo un protón, un electrón y el neutrino de Pauli. Envió un artículo explicando este modelo a la prestigiosa revista Nature, pero fue rechazado porque los evaluadores consideraron que era una idea “muy alejada de la realidad”. Pero tenía razón.

Claro que una cosa es predecir su existencia y otra muy diferente encontrarla: el neutrino debía ser bastante esquivo porque nadie se había topado con él hasta entonces. Más de dos décadas después, en 1956, Clyde Cowan, Jr. y Fred Reines encontraban la partícula de Pauli, un descubrimiento que les valió el Nobel en 1995. Pero solo lo pudo recibir Reines; Cowan había muerto en 1974.

El neutrino ya tenía su certificado de nacimiento ¿pero cuáles eran sus propiedades? No tenía carga eléctrica, algo evidente, y casi no interaccionaba con la materia. De hecho, Cowan y Reines tuvieron que usar un reactor nuclear que emitía 50 billones de neutrinos por segundo y por centímetro cuadrado y dos tanques de agua de 500 litros con 50 kilos de cloruro de cadmio disueltos en ellos para poder detectarlo. ¿Era posible que algo así de singular tuviera masa? Ésa era la pregunta del millón.

En 1967 un físico-químico llamado Raymond Davis decidió estudiar los neutrinos que se originan en el interior del Sol. Por entonces ya se conocía bastante bien cómo lucía el Sol; es el Modelo Solar Estándar. Debido a 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. Davis disponía de una enorme cantidad de neutrinos: el Sol produce más de 200 billones de billones de billones de ellos cada segundo. El problema era cómo atraparlos, pues son capaces de atravesar un muro de plomo de varios cientos de miles de millones de kilómetros de espesor como si fuera aire. O dicho de otro modo: de los neutrinos provenientes del Sol sólo detectamos uno de cada 5.000 millones... ¡una vez que han atravesado la Tierra!

Semejante dificultad obligó a Davis a tomar dos decisiones. La primera, utilizar un detector muy grande. Davis llenó un tanque con 600 toneladas de percloroetileno, un compuesto que se usa en la limpieza en seco. La segunda, enterrar el detector bajo toneladas de roca y, de esta forma, blindarlo para que nada lo perturbe porque del espacio exterior nos llegan los rayos cósmicos, que producen un molesto ruido de fondo en el detector y enmascaran la detección de los neutrinos. Pero lo que no podía esperar Davis es que su experimento solo detectara la tercera parte de los neutrinos que predecía el Modelo Solar. ¿Había hecho algo mal? ¿O estaba mal la teoría? Así nació lo que se conoce desde entonces como 'el problema de los neutrinos solares'.

Davis no sabía que tenía la solución a mano desde mucho antes de que apareciera este enigma. La había proporcionado en 1957 un físico italiano llamado Bruno Pontecorvo, que siete años antes había desertado a la Unión Soviética. De una intuición física incomparable, predijo que había diferentes tipos de neutrinos, según la partícula a la que estuvieran asociados (hay tres tipos: el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico) y que pueden cambiar de traje y convertirse en otro, un fenómeno conocido como la oscilación del neutrino.

En el interior del Sol las reacciones nucleares producen neutrinos electrónicos y el equipo de Davis solo detectaba ese tipo. ¿Pero y si durante su camino a la mina cambiaban, convirtiéndose en alguno de los otros dos? De este modo se salvaba el Modelo Solar y se resolvía el problema de la escasez de neutrinos. El único 'pero' era que introducía un problema: para que los neutrinos oscilen deben tener masa (de hecho, lo hacen con una frecuencia que es proporcional a su masa) y el Modelo Estándar de la física de partículas dice que no la tienen. O sea que no hemos resuelto el problema, sino que lo hemos colocado en otro sitio.

¿Era esta la solución? A principios del siglo XXI llegaba la respuesta desde Canadá. Allí se encuentra el Sudbury Neutrino Observatory (SNO), que tiene enterrado en una mina de níquel a 2100 m de profundidad un tanque con 1.000 toneladas de agua pesada (agua hecha con deuterio, un isótopo del hidrógeno). La principal virtud del SNO es que es capaz de observar separadamente el número total de todos los tipos de neutrinos. El SNO empezó a medir en abril de 1999 y en agosto de 2001 demostró por observación directa que los neutrinos electrónicos provenientes del Sol se convertían en neutrinos muónicos y tauónicos.

Esto abrió la puerta a un misterio que, por el momento, los físicos teóricos son incapaces de explicar: si la oscilación del neutrino implica que tiene masa, ¿qué pasa con el Modelo Estándar, que dice que no la debería tener? Y segundo, ¿por qué su masa es tan pequeña?

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Me licencié en astrofísica pero ahora me dedico a contar cuentos. Eso sí, he sustituido los dragones y caballeros por microorganismos, estrellas y científicos de bata blanca.

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