El Neutrino, una partícula esquiva
Sólo a base de trabajar duro puede descubrirse algo. Richard Feynman
Los neutrinos son partículas subatómicas fascinantes y enigmáticas que han capturado la atención de los científicos de todo el mundo, debido a sus propiedades únicas y su potencial para revelar secretos del universo. A menudo se les llama «partículas fantasmas» debido a su capacidad para atravesar la materia casi sin interactuar con ella. Eso se debe a que los neutrinos son neutros, es decir, que no tienen carga eléctrica, y su masa es extremadamente pequeña, lo que les permite moverse a velocidades cercanas a la de la luz. Sólo uno de cada 10 mil millones de esas partículas, que viajan a través de la materia a una distancia igual al diámetro de la Tierra, reacciona con un protón o un neutrón.
¿Qué son los neutrinos?
Los neutrinos son la segunda partícula más abundante en el universo, solo superada por los fotones. Esas partículas son producidas en reacciones nucleares, como las que ocurren en el Sol y en las explosiones de supernovas. Se pensó durante mucho tiempo que tampoco tenían masa, pero hoy los científicos saben que sí la tienen; se estima que la masa del átomo de hidrógeno es más de mil millones de veces mayor que la del neutrino, pero la investigación continúa.
El neutrino (término que en italiano significa “neutrón pequeño”), descubierto por Clyde Cowman y Federick Reines, es una partícula subatómica de tipo fermiónico, sin carga y con espín ½. Desde principios del siglo XXI, después de varios experimentos llevados a cabo en las instalaciones del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), en Canadá, y en el Super-Kamiokande en Japón, entre otros, se sabe, contrariando al modelo electrodébil, que esas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y que es muy difícil medirla. Hasta 2016, la cota superior de la masa de los neutrinos es 5,5 eV/c2, lo que significa menos de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno. Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman esos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima, por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla. Los neutrinos no se ven afectados por la fuerza electromagnética ni la nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y por la gravitatoria. Los neutrinos pertenecen a la familia de partículas llamadas leptones, que no están sujetas a la fuerza fuerte.
La existencia de los neutrinos, una de las partículas más abundantes en el universo, fue postulada por el físico austriaco Wolfgang Pauli en 1930, para explicar las observaciones de la desintegración radiactiva beta. Pero solo cuando se construyeron los primeros reactores nucleares se pudo disponer de un flujo de neutrinos (realmente de sus antipartículas, los antineutrinos), procedentes de la desintegración de los fragmentos de fisión, lo suficientemente alto para confirmar su existencia. En 1956, Clyde Cowan y Frederick Reines construyeron dos grandes tanques llenos de agua, unos metros por debajo de la central nuclear de Savannah River, cerca de Aiken, Carolina del Sur, Estados Unidos, en los que los antineutrinos interactuaron con los protones del agua. En 1995 se le concedió el Premio Nobel en Física a Frederick Reines por ese experimento. Clyde Cowan no pudo compartir el premio porque había falleció en 1974.
Existen neutrinos de tres tipos o sabores, de acuerdo con el Modelo Estándar de la Física de Partículas; cada uno asociado con una de las tres familias de partículas fundamentales: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico, todos ellos observados experimentalmente. El Premio Nobel en Física de 1988 fue concedido a Leon M Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger por la detección del neutrino muónico.
Se ha propuesto un cuarto tipo, el neutrino estéril, inmune a la fuerza débil del Modelo Estándar, Datos recientes apoyan esa idea, al refinar medidas realizadas en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble, Francia, en los años 80. Si se identificasen los neutrinos estériles, se abriría una nueva etapa en la Física más allá del Modelo Estándar.
Los tres tipos confirmados de neutrinos son especiales: tienen la propiedad de oscilar de un sabor a otro – neutrinos electrónicos, muónicos y tauónicos pueden intercambiarse. Ese fenómeno se observó por vez primera en 1998 en el experimento japonés Super-Kamiokande, en el que se verificó la desaparición de neutrinos muónicos producidos en la atmósfera, transformándose en principio en neutrinos tauónicos. Un nuevo experimento ratificó el efecto desde otra perspectiva – registrando la aparición de un neutrino tauónico en lugar de la desaparición del muónico: tras estar recibiendo durante tres años un haz de neutrinos muónicos desde el CERN, en Ginebra, Suiza, un neutrino tauónico fue detectado en 2010 en el detector OPERA situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, en Italia, a 730 kilómetros de distancia.
La observación de oscilaciones además resolvió un misterio de más de 40 años: los científicos siempre habían detectado menos neutrinos electrónicos procedentes del Sol de los esperados. En 2001, el experimento Solar Neutrino Observatory en Canadá demostró que esos neutrinos cambian de sabor en su camino hasta la Tierra.
¿De dónde vienen los neutrinos?
Los neutrinos se producen en una variedad de procesos cósmicos. Uno de los más conocidos es la fusión nuclear que ocurre en el corazón de las estrellas, incluido el Sol. Durante ese proceso, se generan enormes cantidades de neutrinos que viajan a través del espacio y llegan a la Tierra. De hecho, miles de millones de neutrinos del Sol pasan a través de nuestro cuerpo cada segundo sin que nos demos cuenta.
Los primeros neutrinos se originaron hace unos 14 mil millones de años después del Big Bang. Apenas un segundo después, ya habían escapado de la sopa caliente y densa de partículas primarias; los científicos todavía tratan de poder detectar esos neutrinos supervivientes de la Gran Explosión.
La débil interacción de los neutrinos con la materia es lo que dificulta su detección, pero es también lo que los hace interesantes para los científicos. A diferencia de muchas otras partículas, los neutrinos pueden escapar de regiones densas como el núcleo del Sol o la Vía Láctea, y pueden viajar grandes distancias desde galaxias lejanas sin ser absorbidos, trayendo información de esas regiones. En ese sentido los neutrinos son mensajeros del cosmos y la astronomía de neutrinos cobra cada día más importancia.
Hasta ahora, solo se han observado neutrinos de dos fuentes extraterrestres: el Sol y las supernovas. Raymond Davis Jr y Masatoshi Koshiba recibieron el tercer Premio Nobel en Física relacionado con neutrinos en 2002 por la detección de neutrinos solares y de supernovas. Como otras estrellas, el Sol emite neutrinos electrónicos en varias etapas del proceso en el cual núcleos ligeros se fusionan dando otros más pesados; más de 1010 neutrinos solares inciden en la Tierra por centímetro cuadrado cada segundo. A diferencia de los fotones, que tardan unos 100 000 años en viajar desde el núcleo solar hasta la fotosfera antes de llegar velozmente a la Tierra, los neutrinos liberados en el mismo proceso de fusión hacen el trayecto completo en apenas ocho minutos. Por ello, los neutrinos solares son valiosos mensajeros con información actual sobre la fusión solar, como la composición química de su núcleo.
Los neutrinos de supernova son el resultado del final violento de algunas estrellas, que explotan y producen incluso más neutrinos que fotones. En 1987, varios detectores registraron una señal inusualmente fuerte (varios eventos en pocos segundos, a diferencia de la frecuencia habitual de aproximadamente uno por día) atribuida a neutrinos de la supernova SN1987A en la Gran Nube de Magallanes. Para que los astrónomos puedan observar esos eventos, se han conectado varios detectores de neutrinos como el Sistema de Alerta Temprana de Supernovas, porque durante esas explosiones estelares, los neutrinos se liberan antes que los fotones.
¿Por qué son importantes para el entendimiento del Universo?
Los neutrinos están presentes prácticamente en todo el Universo. Debido a que se han estado generando desde el Big Bang, pueden aportar información sobre cómo inicio éste. Además, la enorme emisión de ellos en la fusión nuclear de las estrellas, y en las explosiones de supernovas, permite entender la física y la evolución estelar. Los neutrinos son cruciales para nuestra comprensión del universo. Su estudio puede proporcionar información sobre procesos astrofísicos, como las explosiones de supernovas y la formación de agujeros negros. Además, los neutrinos pueden ofrecer pistas sobre la materia oscura y la energía oscura, dos de los mayores misterios de la cosmología moderna.
Cómo detectar neutrinos
Los neutrinos son muy valiosos para estudiar fenómenos astronómicos y cosmológicos y se han construido detectores de neutrinos por todo el mundo, a grandes profundidades para eliminar el ‘ruido’ de otras partículas. IceCube, es el más grande de ellos: un kilómetro cúbico de hielo en el Polo Sur, funcionando como telescopio de neutrinos de fuentes astrofísicas. Al chocar un neutrino con un protón del hielo antártico se genera un muón. Al ser una partícula cargada viajando a una velocidad mayor que la de la luz en ese medio (aunque inferior a la velocidad de la luz en vacío), el muón genera un cono de luz azul – radiación Cherenkov, el equivalente fotónico a una explosión supersónica, que también se produce en algunos reactores nucleares.
Miles de sensores ópticos, en una red tridimensional a 1.5-2.5 kilómetros de profundidad en el hielo, detectan esa luz; combinando los datos se puede determinar la energía del neutrino y su dirección original. Para distinguir los muones generados por los neutrinos cósmicos de los millones de muones más producidos por los rayos cósmicos en la atmósfera por encima del detector, IceCube usa la Tierra como filtro, buscando solo muones que llegan por abajo. Los neutrinos son las únicas partículas capaces de atravesar la Tierra sin alterarse, por lo que los muones en esa dirección tienen que haber sido producidos por neutrinos cósmicos.
Y Ya para terminar le digo que mientras usted leyó este artículo, unos 10 000 000 000 000 000 neutrinos le han atravesado sin que usted se dé cuenta. Esas partículas son pequeños, pero tienen el poder de confirmar o refutar unas cuantas teorías científicas.
Referencias.
- Enciclopedia Británica. https://www.britannica.com/science/neutrino
- https://es.wikipedia.org/wiki/Neutrino
- Neutrinos: una introducción. Susana Cebrián 5 julio 2011. https://www.scienceinschool.org/es/article/2011/neutrinos-es/
- Neutrinos, las partículas que guardan los más grandes secretos del Universo Alberto Milo. 7 diciembre, 2023. https://www.ngenespanol.com/el-espacio/que-son-los-neutrinos-las-particulas-que-guardan-los-mas-grandes-secretos-del-universo-neutrino/
- Neutrinos, los mensajeros cósmicos que atraviesan nuestros cuerpos y los científicos buscan en la Antártica y en las profundidades del mar. Alejandra Martins. BBC 2020. https://www.bbc.com/mundo/noticias-52800007
- ¿Qué son los neutrinos? Una pieza clave en el estudio del cosmos. Noelia Freire. 6 de diciembre de 2023. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/neutrinos-que-son-pieza-clave-estudio-del-cosmos_21043 (Tomado de Radio Reloj)
