Un científico japonés y otro canadiense recibieron el galardón por descubrir que los neutrinos tienen masa y, con ello, revolucionan la física de las partículas subatómicas. Su hallazgo cambió lo que se sabía del comportamiento más íntimo de la materia.
¿Puede algo atravesar el cuerpo humano sin que la persona se dé cuenta? ¿Puede incluso ser atravesado billones y billones de veces, a toda hora y en todo momento? La respuesta la tiene la física y es sí: los neutrinos, esas partículas más pequeñas que el átomo, que de manera permanente llueven sobre la Tierra y traspasan todo lo que se les cruza. No sólo a las personas, sino también todo lo que los rodea, hasta el planeta mismo. Son las partículas más misteriosas del Universo, porque después de atravesarlo todo no dejan rastros. Y son tan livianas y veloces que siempre se creyó que no tenían masa. Error. Dos científicos demostraron que sí la tienen y eso cambió el modo de entender y explicar el mundo subatómico. Esos dos investigadores, uno japonés y el otro canadiense, ganaron ayer el Premio Nobel de Física.
Takaaki Kajita, el japonés, y Arthur B. McDonald, el canadiense, descubrieron en realidad que los neutrinos tienen oscilaciones, lo que demuestra que estas partículas elementales de la materia tienen masa, contra lo que se supuso durante décadas.
La Real Academia de las Ciencias Sueca dijo al presentar su fallo que esos estudios “cambiaron nuestro conocimiento del comportamiento más íntimo de la materia y pueden ser cruciales para entender el Universo”. El Nobel distinguió a ambos por sus “contribuciones clave a los experimentos que demostraron que los neutrinos cambian su identidad”, lo que exige que estas partículas tengan masa.
Primero lo primero. ¿De dónde salen los neutrinos? Una parte de ellos se forma en la atmósfera terrestre por la radiación cósmica. Otra se produce en las reacciones nucleares dentro del Sol. Justamente, el equipo japonés se dedicó a capturar neutrinos creados en las reacciones entre rayos cósmicos y la atmósfera de la Tierra; el otro, atrapando los procedentes del Sol.
La existencia de los neutrinos, las partículas más numerosas en el Universo, fue sugerida por el austriaco Wolfgang Pauli en 1930, aunque fue el italiano Enrico Fermi quien ocho años después elaboró una teoría y bautizó el nuevo término. Pero no fueron descubiertos hasta un cuarto de siglo después por dos físicos estadounidenses, Frederick Reines y Clyde Cowan. Desde la década de 1960 la ciencia había calculado de forma teórica el número de neutrinos, pero al realizar mediciones en la Tierra descubrieron que dos tercios habían desaparecido.
A la Tierra llegan unos 60.000 millones de neutrinos por centímetro cuadrado cada segundo. Durante décadas, el “modelo estándar” de la física de las partículas entendía que al llegar a la Tierra los neutrinos desaparecían sin explicación posible. Eso porque no se los podía detectar.
Lo que Kajita y McDonald descubrieron es que no desaparecen, sino que cambian, sufren una metamorfosis. Y el hecho de que sufran esa mutación implica que tengan masa.
Kajita descubrió que los neutrinos de la atmósfera pasaban de una identidad a otra en su camino hacia el detector Super-Kamiokande, un impresionante observatorio de neutrinos japonés. Al mismo tiempo, un grupo de investigadores canadienses liderado por McDonald demostraba que los neutrinos del Sol no desaparecían en su camino hacia la Tierra y que podían ser captados con una identidad diferente al llegar al Observatorio de Neutrinos de Sudbury, localizado en Ontario.
Situado en una mina de zinc a 250 kilómetros de Tokio, el gigantesco detector Super-Kamiokande comenzó a operar en 1996, y tres años más tarde lo hizo el Sudbury Neutrino Observatory (SNO) de Ontario (Canadá) en el interior de un yacimiento de níquel.
En el Super-Kamiokande, construido a mil metros de profundidad y que consiste en un tanque con 50.000 toneladas de agua, el equipo de Kajita observó que aunque la mayoría de los neutrinos atravesaba el tanque, algunos chocaban con un núcleo atómico o un electrón. En esas colisiones se creaban partículas con carga y, alrededor de ellas, se generaban destellos débiles de luz azul, la denominada radiación de Cherenkov, que se produce cuando una partícula viaja más rápido que la velocidad de la luz y cuya forma e intensidad revela la procedencia y el tipo de neutrino que la causa.
El detector japonés atrapaba neutrinos muónicos de la atmósfera y los que lo golpeaban por debajo tras atravesar el globo terráqueo, y dado que la Tierra no supone un obstáculo considerable para ellos, debería haber igual número de neutrinos en ambas direcciones.
Las observaciones revelaron, sin embargo, que los primeros eran más numerosos, lo que apuntaba a que los otros deberían sufrir un cambio de identidad para convertirse en neutrinos tauónicos, aunque su paso no podía ser registrado por el detector.
La pieza decisiva del enigma llegó del SNO, que en un tanque con mil toneladas de agua pesada realizaba mediciones de neutrinos procedentes del Sol, donde los procesos nucleares sólo dan lugar al tercer tipo de estas partículas, los neutrinos electrónicos.
De esos 60.000 millones de neutrinos por centímetro cuadrado que cada segundo bombardean la Tierra, el SNO capturó tres millones por día en sus dos primeros años operativo, un tercio del número esperado: los otros dos habían debido cambiar de identidad en el camino. Esas oscilaciones son las que prueban que los neutrinos tienen masa, aunque no se sabe cuál es.
¿Y qué cambia que los neutrinos tengan masa? Probablemente para el lector, nada. Para los científicos dedicados al tema, todo. El modelo estándar que hasta ese momento describía a la perfeccción el mundo subatómico de la física de las partículas dejó de explicarlo todo.
Pero antes de poder desarrollar por completo teorías que superen ese modelo hará falta averiguar más detalles sobre la naturaleza de los neutrinos, como cuál es su masa o por qué son tan diferentes de otras partículas elementales.
Lo único seguro por ahora son los indicios de que hay una nueva física para el Universo que aún debe descubrirse. He ahí lo fascinante para los investigadores. Tan fascinante que mereció el Premio Nobel.
Neutrinos, los camaleones del universo
Por Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica. Universidad Complutense de Madrid, miembro de econoNuestra
El Premio Nobel de Física de este año ha sido concedido al científico japonés Takaaki Kajita y al canadiense Arthur McDonald por sus estudios fundamentales sobre las propiedades de los neutrinos. A continuación describiré muy resumidamente las razones por las que la Real Academia de Ciencias de Suecia se lo ha concedido a ambos. El lector interesado en conocer con más detalle los argumentos, lo puede consultar en este enlace, donde encontrará -en inglés- un artículo publicado por la Academia sueca en el que se hace una descripción más detallada del trabajo realizado por ambos científicos.
1. ¿Qué son los neutrinos y cuáles son sus propiedades?
Los neutrinos son unas partículas elementales cuyas propiedades los hacen realmente singulares. Nuestro mundo está literalmente repleto de neutrinos. Miles de millones de neutrinos atraviesan nuestros cuerpos cada instante, aunque no podemos verlos ni sentirlos dado que tienen una masa extraordinariamente pequeña y no tienen carga eléctrica, por lo que apenas interaccionan con la materia ordinaria de la que estamos hechos los seres vivos. Algunos fueron creados en el comienzo del universo, en el Big Bang, otros se crean continuamente en diversos procesos que tienen lugar en el interior de la Tierra, en la explosión de supernovas, en la muerte de estrellas supermasivas, etc. La mayoría de los que llegan a la Tierra se originan en las reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol.
El neutrino es la segunda partícula más abundante en el Universo, sólo superado por el fotón, la partícula responsable de la luz. Sin embargo, durante mucho tiempo no se supo de su existencia. Fue predicha teóricamente en 1930 por Wolfang Pauli, pero llegó incluso a dudar de su existencia; se dice que a propósito de su teoría llegó a comentar: “he hecho una cosa terrible, he postulado la existencia de una partícula que no puede ser detectada”. Poco tiempo después, el físico italiano Enrico Fermi desarrolló una teoría que contemplaba la existencia de esa partícula, a la que se denominó desde entonces neutrino.
Hizo falta un cuarto de siglo para que el neutrino fuera descubierto experimentalmente. Esto sucedió en la década de los años 50 del siglo pasado, cuando los neutrinos empezaron a producirse en grandes cantidades en los reactores nucleares que habían comenzado a funcionar en aquellos tiempos. En junio de 1956, dos físicos estadounidenses, Frederick Reines y Clyde Cowan enviaron un telegrama a Wolfgang Pauli indicándole que los neutrinos habían dejado huellas en sus detectores. Este hallazgo mostró que el fantasmal neutrino (se le llegó a conocer como la partícula Poltergeist) era una partícula real.
2. ¿Cuáles son las razones para la concesión del Premio Nobel?
El premio Nobel reconoce un descubrimiento que resuelve un rompecabezas originado por los neutrinos que ha tenido desconcertada a la comunidad científica durante mucho tiempo. En efecto, desde la década de 1960, los científicos habían calculado teóricamente el número de neutrinos que se crean en las reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol, pero al realizar mediciones en la Tierra, cerca del 60% de la cantidad calculada no aparecía en los detectores. Tras innumerables suposiciones, se llegó a postular que los neutrinos cambian de identidad durante su movimiento (en la terminología científica, sufren una oscilación). Queda fuera del alcance de este artículo detallar las razones de esta mutación, que sólo puede explicarse acudiendo a conceptos fundamentales de la Mecánica Cuántica.
Una explicación muy simplificada del fenómeno es la siguiente: de acuerdo con el Modelo Estándar de física de partículas, hay tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. En el Sol únicamente se producen neutrinos electrónicos; estos, en su viaje a la Tierra, sufren la mutación a neutrinos muónicos y tauónicos, de manera que en los detectores instalados en la Tierra sólo se detecta un tercio de los neutrinos electrónicos “fabricados” por el Sol, correspondiendo el resto a los neutrinos de los otros dos tipos. Análogamente sucede con los neutrinos producidos por otras fuentes, como las reacciones que ocurren por la interacción de la radiación cósmica con la atmósfera, en las que se crean neutrinos que también experimentan ese cambio.
Las especulaciones sobre el cambio de identidad de los neutrinos trajeron de cabeza a la comunidad científica hasta que se pudieron construir grandes detectores donde poder realizar medidas muy precisas de las propiedades de estas partículas. En efecto, dos grandes instalaciones científicas han perseguido a los neutrinos durante años. Por una parte, el detector “Super-Kamiokande”, instalado en el interior de en una mina subterránea de zinc a 250 kilómetros al noroeste de Tokio, detector que comenzó a funcionar en 1996. Un par de años después, en 1998, Takaaki Kajita presentó un descubrimiento mediante el que demostraba que los neutrinos provenientes de la radiación cósmica parecen someterse al cambio indicado.
Por otra parte y de manera totalmente independiente, el detector “Sudbury Neutrino Observatory” fue construido en el interior de una mina de níquel en Ontario, comenzando sus observaciones en 1999. En 2001, el grupo de investigación dirigido por Arthur B. McDonald demostró a su vez que los neutrinos provenientes del Sol también cambian de identidad.
De este modo y por separado, ambos equipos científicos pudieron esclarecer la naturaleza camaleónica del neutrino, el descubrimiento que ha merecido ahora el Premio Nobel de Física de este año. Una conclusión trascendental de ambos experimentos es que para que los neutrinos puedan realizar esa transmutación de un tipo en alguno de los otros dos, deben tener masa, al contrario de lo que se creyó durante muchos años. Tal y como dice la Academia sueca en la justificación de la concesión del premio, este hallazgo “Es de importancia revolucionaria para la física de partículas y para nuestra comprensión del universo”
Ambos detectores son instalaciones científicas enormes, cuyo funcionamiento sólo es posible gracias a la colaboración de multitud de científicos, ingenieros, informáticos, técnicos de diversas profesiones, etc. Como con muchos otros descubrimientos que afectan a la comprensión de las propiedades esenciales de la materia, de que esta hecho el universo y de que estamos hechos nosotros, la utilidad de este descubrimiento no es directa, evidente ni inmediata. Pero no cabe la menor duda de que encontrará infinidad de campos de utilidad. No hay más que recordar que la WWW nació en otro detector de partículas, el “Large Hadron Collider”, acerca de lo que escribí recientemente en este mismo blog.
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