Los neutrinos requieren paciencia. Merecen la pena, y el anuncio del Premio Nobel de Física 2015 lo reconoce, tras los premios relacionados en 1988, 1995 y 2002. Irónicamente, estas partículas casi indetectables pueden revelar cosas que no se pueden ver de otra manera.

Podría empezar diciéndole que los neutrinos son partículas elementales, pero eso suena condescendiente. No se llaman elementales porque sean fáciles de entender -no lo son-, sino porque tienen un tamaño aparentemente puntual, y no podemos descomponerlas en constituyentes más pequeños. No existe la mitad de un neutrino.

Las cosas más pequeñas del universo

Los átomos, a pesar del nombre griego («no se pueden cortar»), no son partículas elementales, lo que significa que se pueden desmontar. Un átomo es una nube difusa de electrones que rodea un núcleo minúsculo y denso compuesto por protones y neutrones, que puede romperse en quarks up y down.

Los colisionadores de partículas, que aceleran las partículas hasta casi la velocidad de la luz y las hacen chocar, nos ayudan a descubrir nuevas partículas elementales. En primer lugar, debido a E = mc2, la energía de la colisión puede convertirse en la masa de las partículas. En segundo lugar, cuanto mayor sea la energía del haz del acelerador, más finamente podremos resolver las estructuras compuestas, del mismo modo que podemos ver cosas más pequeñas con los rayos X que con la luz visible.

No hemos sido capaces de desmontar electrones o quarks. Estas son partículas elementales, que forman los componentes básicos de la materia ordinaria: los ladrillos de Lego del universo. Curiosamente, hay muchos primos pesados de las partículas conocidas que sólo existen durante fracciones de segundo y, por tanto, no forman parte de la materia ordinaria. Por ejemplo, en el caso de los electrones son el muón y el tauón.

Partículas elementales, de las que los neutrinos son un tipo. Crédito de la imagen: MissMJ

¿Qué es un neutrino?

¿En qué se diferencia esta partícula elemental -el neutrino- de todas las demás partículas elementales? Es única en el sentido de que casi no tiene masa y casi no interactúa. Estas características son diferentes, aunque a menudo se confunden (no aceptes consejos sobre neutrinos de un poeta, aunque sea John Updike).

Es un misterio por qué los neutrinos son casi, pero no del todo, sin masa. Sin embargo, sí sabemos por qué casi no interactúan: No sienten las fuerzas electromagnéticas o fuertes que unen los núcleos y los átomos, sólo la bien llamada fuerza débil (y la gravedad, pero a duras penas, porque sus masas son pequeñas).

Aunque los neutrinos no son constituyentes de la materia ordinaria, están por todas partes a nuestro alrededor: un trillón procedentes del sol pasan por tus ojos cada segundo. Hay cientos por cada centímetro cúbico sobrante del Big Bang. Como interactúan tan raramente, es casi imposible observarlos, y desde luego no los sientes.

Los neutrinos tienen otros aspectos extraños. Vienen en tres tipos, llamados sabores -neutrinos de electrón, muón y tauón, correspondientes a las tres partículas cargadas con las que se emparejan- y todos ellos parecen ser estables, a diferencia de los primos pesados del electrón.

Debido a que los tres sabores de los neutrinos son casi idénticos, existe la posibilidad teórica de que puedan transformarse unos en otros, lo cual es otro aspecto inusual de estas partículas, uno que puede revelar nueva física. Esta transformación requiere tres cosas: que las masas de los neutrinos no sean nulas, que sean diferentes para los distintos tipos y que los neutrinos de sabor definido sean combinaciones cuánticas de neutrinos de masa definida (lo que se denomina «mezcla de neutrinos»).

Durante décadas, en general se esperaba que no se cumpliera ninguna de estas condiciones. Sin embargo, no por los físicos de neutrinos: mantuvimos la esperanza.

Haciendo astronomía con partículas invisibles

Al final, la naturaleza proporcionó, y los experimentadores descubrieron, apoyados por los cálculos de los teóricos. Primero vinieron décadas de búsqueda por parte de muchos experimentos, con importantes indicios que animaron la persecución.

Luego, en 1998, el experimento Super-Kamiokande, en Japón, anunció una fuerte evidencia de que los neutrinos muón producidos en la atmósfera de la Tierra cambian a otro tipo (ahora se piensa que son neutrinos tauón). La prueba consistía en ver que esto ocurría con los neutrinos que venían de «abajo», habiendo recorrido una larga distancia a través de la Tierra, pero no con los que venían de «arriba», habiendo recorrido sólo una corta distancia a través de la atmósfera. Dado que el flujo de neutrinos es (casi) el mismo en diferentes lugares de la Tierra, esto permitió una medición «antes» y «después».

Vista desde el fondo del recipiente acrílico del Observatorio de Neutrinos de Sudbury y el conjunto de PMTs. image credit: Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory

En 2001 y 2002, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, en Canadá, anunció una fuerte evidencia de que los neutrinos electrónicos producidos en el núcleo del sol también cambian de sabor. Esta vez la prueba fue ver que los neutrinos de sabor electrónico que desaparecían volvían a aparecer como otros tipos (que ahora se cree que son una mezcla de neutrinos muón y tauón).

En cada uno de esos experimentos se observó aproximadamente la mitad de los neutrinos que se esperaban según las predicciones teóricas. Y, tal vez de forma apropiada, Takaaki Kajita y Arthur McDonald obtuvieron la mitad de un Premio Nobel cada uno.

En ambos casos, los efectos de la mecánica cuántica, que normalmente sólo operan a distancias microscópicas, se observaron en escalas de distancia terrestres y astronómicas.

Como decía la portada de The New York Times en 1998, «Se encuentra masa en una partícula esquiva; el universo podría no volver a ser el mismo». Estos claros indicios del cambio de sabor de los neutrinos, confirmados desde entonces y medidos en detalle en experimentos de laboratorio, muestran que los neutrinos tienen masa y que estas masas son diferentes para los distintos tipos de neutrinos. Curiosamente, aún no sabemos cuáles son los valores de las masas, aunque otros experimentos muestran que deben ser aproximadamente un millón de veces más pequeñas que la masa de un electrón, y quizás más pequeñas.

Ese es el titular. El resto de la historia es que la mezcla entre los diferentes sabores de neutrinos es de hecho bastante grande. Se podría pensar que es una mala noticia cuando las predicciones fallan -por ejemplo, que nunca podríamos observar el cambio de sabor de los neutrinos-, pero este tipo de fallos son buenos, porque aprendemos algo nuevo.

Sociedad internacional de cazadores de neutrinos

Arthur B. McDonald, profesor emérito de la Universidad de Queen en Canadá, habla con los periodistas en la Universidad de Queen en Kingston, Ontario, el 6 de octubre de 2015. McDonald y el japonés Takaaki Kajita fueron co-ganadores del Premio Nobel de Física 2015 por su descubrimiento de que los neutrinos, etiquetados como las partículas más esquivas de la naturaleza, tienen masa, dijo el martes el organismo que otorga el premio. REUTERS/Lars Hagberg – RTS3AOV

Takaaki Kajita en una rueda de prensa tras el anuncio de que ha ganado el Premio Nobel de Física. Crédito de la foto: Kato/Reuters

Estoy encantado de ver este reconocimiento para mis amigos Taka y Art. Me gustaría que varias personas clave, tanto experimentalistas como teóricos, que contribuyeron de manera esencial, hubieran recibido un reconocimiento similar. Se necesitaron muchos años para construir y poner en marcha esos experimentos, que a su vez se basaron en un trabajo lento, difícil y en gran medida poco gratificante que se remonta a décadas atrás y que requirió el esfuerzo de cientos de personas. Esto incluye la importante participación de Estados Unidos tanto en Super-Kamiokande como en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury. Así que, ¡felicidades a los neutrinos, a Taka y a Art, y a los muchos otros que han hecho esto posible!

Cuando empecé a trabajar en los neutrinos, hace más de 20 años, muchas personas, incluyendo científicos prominentes, me dijeron que estaba perdiendo el tiempo. Más tarde, otros me instaron a trabajar en otra cosa, porque «la gente que trabajaba en neutrinos no consigue trabajo». Y, aún ahora, muchos físicos y astrónomos piensan que estamos persiguiendo algo casi imaginario.

Pero no es así. Los neutrinos son reales. Son una parte esencial de la física, que arroja luz sobre el origen de la masa, la asimetría partícula-antipartícula del universo y, tal vez, la existencia de nuevas fuerzas que son demasiado débiles para probarlas con otras partículas. Y son una parte esencial de la astronomía, ya que revelan los aceleradores de mayor energía del Universo, lo que hay dentro de las estrellas más densas y, tal vez, objetos astrofísicos nuevos y no vistos de otra manera.

El autor describe cómo los hechos que aprendemos sobre el universo dan forma a nuestro sentido.

Partículas diminutas, grandes misterios

¿Por qué debería importarte, más allá de compartir nuestra curiosidad por revelar algunas de las cosas más extrañas del universo?

La fuerza débil que sienten los neutrinos es la que cambia los protones en neutrones, impulsando las reacciones de fusión nuclear en el sol y otras estrellas, y creando los elementos que hacen posible los planetas y la propia vida.

Los neutrinos son el único componente de la materia oscura que entendemos, y averiguar el resto nos ayudará a comprender la estructura y evolución del universo. Si las masas de los neutrinos hubieran sido mucho mayores, el universo tendría un aspecto muy diferente, y tal vez no estaríamos aquí para verlo.

Por último, si se trata de algo puramente práctico, la física y la astrofísica de los neutrinos es uno de los trabajos más difíciles, que requiere que inventemos detectores y técnicas increíblemente sensibles. Este conocimiento tiene otros usos; por ejemplo, utilizando un detector de neutrinos, podríamos saber si un supuesto reactor nuclear está encendido, cuál es su nivel de potencia e incluso si está produciendo plutonio. Esto podría tener algunas aplicaciones en el mundo real.

Las últimas décadas en la física de neutrinos y la astronomía han sido estupendas, pero algunas de las cosas más emocionantes están empezando a suceder. El Observatorio de Neutrinos IceCube, situado en el Polo Sur, está viendo ahora neutrinos de alta energía procedentes de fuera de nuestra galaxia. Super-Kamiokande ha anunciado un plan, basado en una propuesta mía y de Mark Vagins, para mejorar su sensibilidad a los antineutrinos en comparación con los neutrinos. Y la comunidad internacional espera construir una nueva e importante instalación de neutrinos, en la que se enviará un potente haz de neutrinos desde el Fermilab, en Illinois, a un detector en las profundidades de la mina Homestake, en Dakota del Sur. Quién sabe lo que encontraremos?

Y eso es lo que realmente he estado esperando.

John Beacom, profesor de Física, profesor de Astronomía y director del Centro de Cosmología y Física de Astropartículas (CCAPP) de la Universidad Estatal de Ohio

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.

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