neutrino

A la caza del neutrino, la partícula más rápida del universo conocido

El neutrino es una partícula tan pequeña que es capaz de atravesar planetas sin interaccionar. Debido a esta y otras características, como su capacidad de oscilar de un estado a otro, se ha convertido en uno de los principales objetos de atención en la comunidad científica.

Origen de los neutrinos: ¿por qué existen?

Los neutrinos, conocidos en el argot científico como «partículas fantasma», son partículas inconcebiblemente pequeñas, del orden de hasta dos millones de veces inferiores a un electrón. De entre los tipos de partículas que tienen masa, son los más pequeños. Se desplazan a velocidades muy próximas a la de la luz. De hecho, su masa es tan diminuta que rara vez interaccionan o colisionan con la materia.

A causa de esta insignificancia en términos de masa, excepto en cuestiones muy específicas a según qué niveles, apenas se los necesita para explicar física de partículas. No obstante, su descubrimiento ha revolucionado el mundo científico hasta el punto que el modelo estándar de partículas sea cuestionado. Su aparición introduce parámetros hasta el momento desconocidos. Además, el neutrino es la partícula más abundante del universo después del fotón y se la considera materia oscura caliente en la medida en que su velocidad se acerca a la del fotón.

Los neutrinos —y su antipartícula, los antineutrinos— se originan en procesos en los cuales hay transformaciones de neutrones en protones o viceversa. De hecho, dentro del modelo estándar que explica las interacciones entre partículas elementales, el neutrino tiene que existir para que algunas reacciones que se observan sean posibles. Hay muchos procesos en los cuales esto ocurre. Muchos elementos radiactivos, como el uranio, emiten neutrinos al transformar los neutrones de su núcleo en protones.

Por otro lado, la mayor parte de los neutrinos que se observan en la tierra se originan en el sol, como subproducto de las reacciones nucleares que se producen allí. Su existencia se debe a la interacción nuclear débil, propuesta por Enrico Fermio (Nobel 1938), cuya teoría fue posteriormente desarrollada por Sheldon Glasgow, Abdus Salam y Steven Weinberg (Nobel 1979). Precisamente esta interacción es la que permite que los neutrones se puedan transformar en protones.

En la desintegración del neutrón se crea además un electrón, que pertenece al conjunto de partículas llamadas leptones. Pero existe un principio por el cual los leptones tienen que igualarse, en número, a sus antipartículas. Es lo que se conoce como la conservación del número leptónico.

Por lo tanto, para que se cree un leptón tiene que crearse también un leptón antineutrino, en este caso un antineutrino electrónico, para que la desintegración sea posible.

Dicho de otra forma, cuando un neutrón se desintegra, la suma de las masas del protón y el electrón resultantes, así como su energía cinética, no es igual a la masa y la energía del neutrón. Como ni la masa ni la energía pueden desaparecer en el universo, tiene que haber algo más que sale del neutrón cuando este se desintegra. Esa cosa es el neutrino, que representa la energía y masa sobrantes.

¿Cómo se comporta un neutrino?

Los neutrinos son partículas relativistas, puesto que viajan a velocidades muy próximas a la de la luz. No obstante, como cualquier otra partícula elemental, su comportamiento puede ser descrito mediante la mecánica cuántica. A causa de esta, su interacción con otras partículas viene dada en términos de probabilidades. Es decir: que un neutrino en particular interaccione con otra partícula no se puede predecir al 100%. Solo se puede determinar cuál es la probabilidad de que interaccione.

¿Con qué tipo de elementos puede interaccionar un neutrino? Qué reacciones puede generar?

Los neutrinos pueden interaccionar con cualquier otro tipo de partícula, incluida ella misma, aunque lo más habitual es que interaccione con protones y neutrones localizados en el núcleo atómico. Cuanto más denso sea el material, más probable será que el neutrino interaccione.

Ahora bien, al tratarse de partículas neutras que no tienen carga eléctrica y que apenas poseen masa, solo interaccionan con la materia a través de la interacción débil (la fuerza que provoca las desintegraciones radiactivas).

Más en concreto, el neutrino participa de las interacciones que se denominan electrodébiles, las cuales tienen que ver con las interacciones electromagnéticas y nucleares débiles.

En general, participan en las reacciones en las cuales se crean y destruyen electrones u otros leptones, como por ejemplo las que tienen lugar en el interior de las estrellas, en los reactores nucleares y en los procesos de radiactividad natural como la entrada de rayos cósmicos en la atmósfera.

Objetivos de la investigación de neutrinos

El estudio del neutrino tiene dos objetivos. El primero es el estudio del neutrino en sí y de su física. Por ejemplo, se trata de determinar cuál es su masa o comprender a través de qué mecanismos y en qué medida unos tipos de neutrinos se transforman en otros.

En segundo lugar, se estudian neutrinos que provienen de objetos como el sol o las supernovas para obtener más información sobre la física de estos astros. Algunas de las fuentes más interesantes de neutrinos son de origen astronómico. Estudiando los neutrinos que vienen de estos cuerpos celestes podemos inferir qué procesos y reacciones nucleares han dado lugar a estos neutrinos, y por tanto conocer más sobre la estructura interior de las estrellas. Cuando observamos con telescopios solo vemos la superficie de la estrella. En cambio, los neutrinos provienen de lo más profundo.

Como en toda investigación científica, hay una componente de esperar lo inesperado, pero en estos momentos se investigan metas muy concretas. Por ejemplo, en el caso de las supernovas se han realizado modelos teóricos de cómo serían los neutrinos observados dependiendo del mecanismo que da lugar a la explosión supernova.

Si hubiera una supernova próxima (lo cual ocurre más o menos cada 30 años) podríamos comparar las observaciones con los modelos teóricos e inferir lo que está ocurriendo en el interior y que no se puede ver con los telescopios.

El modelo que explica los constituyentes de la materia y sus interacciones se denomina Modelo Estándar de la Física de Partículas. Aunque está muy consolidado, existen muchas incógnitas todavía, en particular en el sector de los neutrinos, donde todavía no se conocen las masas. Tampoco su jerarquía, es decir, como están ordenados.

Por otro lado, existen tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. Todos ellos observados experimentalmente. Los neutrinos tienen una propiedad y es que pueden cambiar de “sabor” (tal y como se denomina en terminología científica) en su trayectoria, lo que se conoce como oscilaciones de neutrinos.

El descubrimiento de estas transformaciones transitorias tuvo lugar en 2015 y supuso el premio Nobel de Física aquel mismo año para el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur B. McDonald. Desde entonces, el neutrino se ha convertido en un tipo de Santo Grial para buena parte de los físicos experimentales de partículas.

Aunque los parámetros que gobiernan estas oscilaciones se conocen, uno de los objetivos de los investigadores es medirlos con más precisión.

Lo que sucede a veces es que experimentos que se han construido con un fin han proporcionado después resultados inesperados y muy reveladores. Es lo que se conoce como serendipia.

¿Cómo puede cambiar el neutrino los modelos teóricos en física de partículas?

El descubrimiento del neutrino permitió postular la existencia de una cuarta fuerza en la naturaleza, la fuerza nuclear débil, además de aquellas que ya se conocían (gravedad, electromagnetismo e interacción nuclear fuerte).

Esto ha permitido entender cómo se producen las reacciones nucleares. Por lo tanto, el descubrimiento del neutrino ha permitido completar el modelo estándar de las partículas elementales.

Como mencionábamos antes, sin la presencia del neutrino no se pueden explicar fenómenos observados como la radiactividad beta (conversión de un neutrón en un protón y un electrón), ni el balance de energía de la misma. Además, según el Modelo Estándar los neutrinos son partículas sin masa, pero desde hace pocos años se sabe que sí la tienen, lo cual implica correcciones al modelo que no son fáciles de implementar.

Por otro lado, es de vital importancia saber la jerarquía de masas de los neutrinos. Sabemos que estas partículas pueden estar ordenadas por sus masas de dos maneras: jerarquía normal (el neutrino de tipo 3 es el más masivo) o invertida (el neutrino de tipo 3 es el menos masivo), pero no sabemos cuál de las dos es la que existe realmente. El hecho de que siga una u otra jerarquía tiene grandes implicaciones para otras teorías y modelos en física de partículas.

Esta línea de investigación que estudia las propiedades intrínsecas de los neutrinos y las oscilaciones entre las familias existentes trata de dilucidar la naturaleza del neutrino. Es decir, si se trata de un fermión de Dirac o de Majorama. En física de partículas, un fermión es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales que existen en la naturaleza (el otro tipo es el bosón).

La materia ordinaria está básicamente formada por fermiones y a ellos debe prácticamente toda su masa. Entre los fermiones encontramos los quarks (que forman parte del núcleo atómico) y los leptones. Un fermión de Majorana es un fermión que es al mismo tiempo su antipartícula. Y solo los neutrinos, hasta ahora, son candidatos a cumplir esta característica.

¿Quiénes investigan el neutrino?

La investigación en neutrinos y en general en física de partículas se hace a través de grandes colaboraciones formadas por grupos de diferentes universidades e institutos de investigación compuestos por centenares de científicos e ingenieros.

Aunque hay un número considerable de grupos en el mundo trabajando en neutrinos, ya sea desde el punto de vista teórico como desde el experimental, a causa de su dificultad, los proyectos más avanzados que lideran la investigación los llevan a cabo pocos grupos con un gran número de científicos participantes. Algunos de los proyectos más importantes actualmente son Antares o IceCube. Se puede decir que estos centros científicos llevan la delantera.

Otro experimento relevante que se está llevando a cabo es NEXT, el cual busca desintegraciones doble beta sin producción de neutrinos, cuya detección implicaría que el neutrino es una partícula de Majorana.

Asimismo, hay varios experimentos en el campo de oscilaciones de neutrinos que se realizan con aceleradores. Uno es el experimento T2K, que se está llevando a cabo en Japón. Y otro, el experimento de próxima generación DUNE, en los Estados Unidos.

¿Cómo se detecta un neutrino?

La detección del neutrino es extremadamente difícil, dado que interacciona muy poco con la materia. Para poder detectarlos hay que poner a su paso una gran cantidad de materia. Hay un hecho que impacta: estamos siendo continuamente bombardeados por neutrinos del sol, pero la inmensa mayoría de estos atraviesan la tierra sin tocarla, limpiamente.

Por este motivo, para que al menos unos pocos de estos neutrinos sean detectados, son necesarios detectores grandísimos y emplear grandes volúmenes de materia para aumentar la probabilidad de interacción. Para que nos hagamos una idea de las dimensiones de las que hablamos, los telescopios de neutrinos actuales usan como detector un kilómetro cúbico de hielo en la Antártida, como es el caso del telescopio IceCube; o un volumen similar de agua de mar en el Golfo de León, como el del proyecto Antares.

Las instalaciones del proyecto Antares, situado a unos 2500 m de profundidad a unos 40 km de la costa de Toulon (Francia), consisten en una red tridimensional de cerca de 900 sensores ópticos que cubren una área activa de 0.1 kilómetros cuadrados, siendo capaces de detectar la luz generada después de la interacción de un neutrino y discriminarla de otras fuentes de luz.

Por su parte, el SuperKamiokande, en Japón, otra de las instalaciones más prometedoras en este campo, usa 50.000 toneladas de agua pura situadas a mil metros bajo suelo.

A pesar de estas masivas y costosas infraestructuras, se producen relativamente pocas detecciones y los resultados todavía son poco precisos. Dado que se se detectan muy pocos neutrinos de todos los que nos atraviesan, la mayor incertidumbre viene de determinar la significancia estadística de esos pocos como miembros de una población mucho mayor.

El experimento T2K es otro de los pioneros en análisis de neutrinos. Consiste en un haz de neutrinos muónicos enviados desde el complejo de aceleradores J-PARC, en Tokai, situado en la costa este de Japón, hasta el detector Super-Kamiokande, a 300 kilómetros de distancia en la costa oeste. El haz se mide una vez antes de salir de J-PARC, utilizando el detector próximo ND280, y nuevamente en Super-Kamiokande. El cambio en la intensidad y composición del haz se utiliza para proporcionar información sobre las propiedades de los neutrinos, puesto que, en su camino, parte de los neutrinos muónicos se convierten a otra de las dos familias.

Por último, el experimento DUNE, un gran proyecto internacional con casi mil físicos, estará operativo en Estados Unidos a partir de 2026 y pretende dar respuesta a los interrogantes que todavía perduran en este campo de la física.

El neutrino como ventana al cosmos y viceversa

En muchos casos, los neutrinos se están utilizando, en astrofísica, como un instrumento o un medio en vez de como objeto de estudio en sí mismo. Aunque, indirectamente, es inevitable que en el discurrir de las investigaciones cada vez se conozcan más características de esta partícula. Efectivamente, en el caso de la astrofísica, el neutrino se emplea como un mensajero —un portador de información del universo— al igual que el fotón en el caso del estudio del óptico.

Para los astrofísicos, los neutrinos son una ventana al universo que ofrece una visión nueva y complementaria a la que se había visto hasta ahora por medio de las ondas electromagnéticas.

No obstante, la investigación en astrofísica también ha permitido aprender de los neutrinos y sus propiedades. El conocimiento se expande en ambas direcciones. Por ejemplo, en 1987 hubo una supernova próxima de la cual se detectaron unos veinte neutrinos. El hecho de que se observara la supernova (sus ondas electromagnéticas) al mismo tiempo que los neutrinos significa que tanto los fotones como los neutrinos tuvieron que viajar prácticamente a la misma velocidad. Esto ha permitido determinar que la masa de los neutrinos es pequeñísima. En caso contrario habrían llegado con un retraso considerable.

Los telescopios de neutrinos son como el resto de telescopios pero, en lugar de utilizar la luz o la radiación electromagnética como mensajero y estar situados en lo alto de una montaña apuntando al cielo, intentan obtener información sobre el Universo mediante la detección de neutrinos cósmicos procedentes de los fenómenos más violentos del Universo.

El hecho de ser partículas neutras sin masa que solo interaccionan débilmente los convierte en mensajeros ideales, pues pueden atravesar distancias inmensas sin ser absorbidos o desviados.

En definitiva, se sabe mucho, pero cuánto más se sabe, más preguntas surgen y las fronteras del conocimiento se amplían.

Impacto en la comunidad científica: resultados y descubrimientos más importantes

Los descubrimientos más importantes recientemente son dos. Por un lado, la confirmación de las oscilaciones de neutrinos. La principal implicación que esto tiene es que los neutrinos deben de tener masa, cosa que hasta hace poco no se contemplaba, puesto que se había determinado que su velocidad era prácticamente la de la luz. Aunque esto no se considera un cambio de paradigma, sí se suele llamar «física más allá del Modelo Estándar». Y pese a que no esté del todo probado, lo aceptan la mayoría de los científicos como el resultado más importante.

Por otro lado, la detección de neutrinos cósmicos de alta energía por parte del experimento Icecube en 2013 supuso el nacimiento de la astronomía de neutrinos, que se centra en detectar y estudiar los neutrinos provenientes de grandes emisiones energéticas del espacio.

Otro punto importante de investigación actual es la posibilidad ya mencionada de que el neutrino pueda ser su propia antipartícula. Se está muy cerca de demostrarlo y tendría importantes repercusiones en los modelos teóricos de partículas.

Queda patente, con todo, que el neutrino es y será esencial en las nuevas investigaciones astronómicas y de partículas y que dará mucho que hablar en los próximos años, cuando los proyectos en marcha —y también los programados— empiecen a dar resultados.

El neutrino se ha establecido, sin lugar a dudas, como una de las principales fuentes de conocimiento sobre el cosmos y los fenómenos subatómicos y nucleares.

Quizá también te interese

Simulador astronómico | El universo dentro de un ordenador

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.