Los neutrinos son partículas elementales de masa prácticamente nula, tan mínima que durante décadas se pensó que no tenían masa. No tienen carga eléctrica, apenas interactúan con la materia y viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Comenzaron siendo un producto de la intuición (ni más, ni menos), pero hoy sabemos que, aunque pasen totalmente desapercibidos, están por todas partes. Comenzamos aquí un recorrido por su historia.
En el año 1930, la física nuclear estaba en plena adolescencia: joven, brillante y con algunos misterios inquietantes que amenazaban su estabilidad. En esa época, los científicos estaban empezando a estudiar en detalle la desintegración beta: un proceso en el que un núcleo emite un electrón [Chadwick, 1914]. La lógica y la experiencia con fenómenos, como la emisión de luz por átomos excitados, indicaban que en estos procesos la energía de los electrones debía ser siempre la misma, con un valor fijo característico de cada transición. Sin embargo, los experimentos mostraban algo muy distinto: la energía de los electrones emitidos formaba un espectro continuo, desde cero hasta un valor máximo.
Este resultado era inquietante por dos razones. Primero, porque no había ninguna partícula conocida que pudiera “llevarse” la energía faltante sin ser detectada. Segundo, porque no solo la energía parecía desaparecer: también el momento lineal y el espín del sistema no cuadraban. Si esos datos eran correctos, significaba que las leyes de conservación de la energía y del momento, que hasta entonces se habían cumplido en todos los experimentos de la física clásica y cuántica, podían romperse en el mundo nuclear. La situación dividió a los físicos. Algunos, como Niels Bohr, llegaron a plantearse que tal vez la energía no se conservaba en los procesos nucleares, algo que habría sido un auténtico terremoto conceptual. Otros, más reacios a abandonar un principio tan fundamental, buscaban desesperadamente otra explicación.
En ese clima de tensión intelectual Wolfgang Pauli, incapaz de aceptar la ruptura de las leyes de conservación, escribió su célebre carta de diciembre de 1930 a sus “Estimados y radiactivos damas y caballeros” [Pauli, 1930]. En ella propuso, como él mismo dijo, “un remedio desesperado”: la existencia de una partícula invisible, eléctricamente neutra, extremadamente ligera y casi imposible de detectar, que escapaba de la desintegración beta llevándose consigo la energía y el momento que parecían perderse. Pauli la llamó provisionalmente “neutrón”. El nombre podía llevar a confusión, porque poco después, en 1932, James Chadwick descubrió otra partícula diferente, también neutra, pero con masa parecida a la del protón: el neutrón del núcleo atómico.
Para evitar esa confusión, cuando el italiano Enrico Fermi elaboró en 1933–1934 una teoría completa de la interacción débil —la fuerza responsable de la desintegración beta— retomó la hipótesis de Pauli y le dio un nuevo nombre: neutrino, el “pequeño neutral” [Fermi, 1934a; 1934b]. Así quedaban diferenciadas las dos partículas: el neutrón, componente del núcleo atómico, y el neutrino, casi intangible, sin carga, con masa diminuta y que apenas interactúa con la materia.
La primera detección
No fue hasta 1956, 26 años después de la propuesta de Pauli, en el experimento Cowan-Reines realizado cerca de la planta nuclear de Savannah River, donde se dio el primer intento exitoso de detectar neutrinos, que hasta entonces se consideraban casi imposibles de observar [Cowan et al., 1956]. Para detectar estas partículas, los científicos aprovecharon un reactor nuclear, que emite una gran cantidad de antineutrinos electrónicos durante la fisión nuclear. La reacción clave del experimento fue la interacción inversa a la desintegración beta, en la que un antineutrino choca con un protón del agua, generando un positrón y un neutrón:
El positrón se aniquila rápidamente al encontrarse con un electrón, produciendo dos rayos gamma simultáneos con energías características. Por otro lado, el neutrón es capturado poco después por un núcleo de cadmio en el agua, lo que genera otro pulso de rayos gamma con un ligero retraso temporal. El detector consistía en grandes tanques llenos de agua mezclada con cloruro de cadmio, que facilitaba la captura eficiente de neutrones. La detección de la coincidencia temporal entre los dos rayos gamma producidos por la aniquilación del positrón y el posterior pulso gamma del neutrón capturado permitió identificar con alta certeza un evento de interacción de neutrinos.
Este tipo de señales eran tan inusuales que el equipo apodó inicialmente su experimento como el “experimento poltergeist”, en referencia a los misteriosos “fantasmas” que aparecían en los detectores. Sin embargo, estas señales resultaron ser la evidencia directa de la interacción de neutrinos con la materia, confirmando su existencia real. Este experimento se ha convertido en un hito en la historia más reciente de la Física, demostrando que los neutrinos, a pesar de su débil interacción, pueden ser detectados mediante técnicas ingeniosas y ha abierto la puerta a toda una nueva rama de investigación en física de partículas y astrofísica. Con el tiempo, los investigadores descubrieron que no existía un solo tipo de neutrino: además del electrón-neutrino detectado por Cowan y Reines, aparecieron el neutrino muónico y, más adelante, el neutrino tauónico. Cada uno de estos “sabores” (el término técnico en inglés es flavours) abrió nuevas preguntas sobre las propiedades de los neutrinos y sus roles en la física de partículas, ampliando aún más el horizonte de su estudio, pero eso ya es otra historia.
Diferentes fuentes de neutrinos
Hasta ahora hemos hablado del primer experimento que utilizó neutrinos producidos de manera “artificial” en reactores nucleares y aceleradores. Pero los neutrinos provienen de diversas fuentes naturales. Los neutrinos atmosféricos se generan cuando los rayos cósmicos, partículas de alta energía provenientes del espacio, chocan con los núcleos de la atmósfera terrestre, produciendo cascadas de partículas que incluyen piones y kaones. Estos, a su vez, se desintegran en muones y neutrinos. Los primeros indicios de neutrinos atmosféricos aparecieron en experimentos realizados en los años 60, lo que abrió un nuevo campo de estudio en física de partículas y astrofísica.
La primera detección de neutrinos procedentes del Sol se realizó en 1968 por Raymond Davis Jr. en el experimento Homestake, ubicado en una mina profunda en Estados Unidos [Davis, Harmer y Hoffman, 1968]. Usó un detector con un líquido a base de tetracloruro de carbono para capturar neutrinos electrónicos generados por las reacciones nucleares que alimentan el Sol. Sin embargo, encontró una cantidad de neutrinos mucho menor de la esperada, dando lugar al llamado problema de los neutrinos solares. Este misterio permaneció décadas sin resolver, hasta que se descubrió que los neutrinos cambian de sabor (oscilan) durante su viaje desde el Sol a la Tierra, lo que explica la disminución detectada.
En 1987, la supernova SN1987A, situada en la Gran Nube de Magallanes, fue la primera en ser detectada tanto en luz visible como en neutrinos. Experimentos como Kamiokande II en Japón [Hirata et al., 1987], el detector IMB en Estados Unidos [Bionta et al., 1987] y Baksan en la antigua Unión Soviética [Alekseev et al., 1987] registraron un estallido de neutrinos emitidos por la explosión. Durante el colapso del núcleo estelar, gran parte de los protones y electrones se combinan para formar neutrones, liberando enormes cantidades de energía en forma de neutrinos. Estos neutrinos, debido a su débil interacción con la materia, escapan casi inmediatamente de la estrella, llegando a la Tierra horas antes que la luz y transportando la mayor parte de la energía liberada en la supernova. Esta detección abrió una nueva ventana para estudiar procesos astrofísicos extremos y la dinámica de las supernovas.
Desde entonces, los neutrinos se han convertido en mensajeros privilegiados del universo, portadores de información de lugares y procesos inaccesibles por otros medios. De la primera detección en un reactor nuclear a su llegada desde el corazón de una supernova, cada hallazgo ha ampliado los límites de nuestra comprensión, revelando que estas partículas fantasmales, aunque invisibles y casi intangibles, son piezas clave en el rompecabezas del cosmos.
Hoy sabemos que cada segundo, sin que lo notemos, más de 100.000 millones de neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo, como si no existiéramos para ellos. Se han detectado neutrinos provenientes del Sol, los producidos en las fisiones provocadas en las centrales nucleares, los derivados de las supernovas e incluso los surgidos en el Big Bang. Su estudio no solo ha salvado principios fundamentales como la conservación de la energía, sino que ha abierto ventanas a Física más allá del Modelo Estándar y a fenómenos cósmicos que de otro modo permanecerían ocultos.
En próximas entregas se abordará la evolución del estudio de los neutrinos, desde la identificación de sus distintos sabores hasta los experimentos clave que permitieron detectarlos. Asimismo, se resumirá el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, un fenómeno fundamental que demostró que estas partículas tienen masa y revolucionó la física de partículas.
Referencias
· Alekseev, E. N., et al. (1987). Detection of the neutrino signal from SN1987A in the LMC using the INR Baksan underground scintillation telescope. JETP Letters, 45(10), 589–592.
· Bionta, R. M., et al. (1987). Observation of a Neutrino Burst in Coincidence with Supernova SN1987A in the Large Magellanic Cloud. Phys. Rev. Lett., 58(14), 1494–1496.
· Chadwick, J. (1914). The intensity distribution in the magnetic spectrum of β particles from radium (B + C). Verh. Phys. Gesell., 16, 383-391.
· Cowan, C. L. et al. (1956). Detection of the Free Neutrino: a Confirmation. Science, 124, 103-104.
· Davis, R., D. S. Harmer y K. C. Hoffman (1968). Search for Neutrinos from the Sun. Phys. Rev. Lett., 20, 1205.
· Fermi, E. (1934a). Tentativo di una Teoria Dei Raggi β. Nuovo Cim, 11, 1–19.
· Fermi, E. (1934b). Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I. Z. Physik, 88, 161–177.
· Hirata, K. et al. (1987). Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A. Phys. Rev. Lett., 58(14), 1490-1493.
· Pauli, W. (1930). Dear radioactive ladies and gentlemen. Phys.Today, 31(9), 1978, 27.
