La física de partículas de los últimos años la está protagonizando sin duda el neutrino. Esta diminuta partícula, con una masa un millón de veces menor que la siguiente partícula más ligera (el electrón), podría ayudarnos a desenmascarar qué hay más allá del Modelo Estándar. Esta teoría ha conseguido durante décadas una precisión sin precedentes, explicando casi la totalidad de fenómenos observados. Sin embargo sabemos que no es del todo correcta, o que al menos no está completa, y el neutrino podría desvelarnos exactamente cómo arreglarla. Pero la capacidad del neutrino para revolucionar la física no es nueva, pues lleva haciendo esto mismo desde antes incluso de detectarla en ningún experimento.
Esta partícula se mueve a través de la materia con una facilidad que desafía nuestra comprensión cotidiana del mundo físico. En el interior del Sol se producen una cantidad inimaginablemente alta de neutrinos a cada instante, como subproducto de las reacciones de fusión nuclear que lo hacen brillar. La contribución principal proviene del ciclo de reacciones nucleares que convierte protones en núcleos de helio. Como resultado de este flujo de neutrinos, la Tierra recibe cien mil millones de neutrinos por segundo y por centímetro cuadrado. Eso significa que varios billones (millones de millones) de ellos atraviesan tu cuerpo cada segundo y prácticamente ninguno de esos neutrinos llega a interactuar con ninguno de los átomos que te componen. Otra forma de expresar la inconcebible elusividad de estas partículas fundamentales es calculando el grosor que debería tener una placa de, por ejemplo, aluminio para que hubiera una probabilidad del 50 % de que un neutrino chocara contra alguno de sus átomo al atravesarla. Este grosor está por encima del año luz. Por tanto un neutrino podría atravesar una placa de aluminio de 1 año luz de grosor y salir por el otro lado sin inmutarse.
Esto es así porque al neutrino solo le afecta la interacción débil, una interacción que tiene muy corto alcance. Las partículas solo sienten los efectos de esta interacción cuando pasan a menos del grosor de un protón de distancia de otra partícula. Como comprenderás, dado que los átomos están esencialmente vacíos, esto no ocurre muy a menudo. Ante este panorama, ¿cómo podemos plantearnos detectar neutrinos? Aprovechándonos de su abundancia. Aunque un neutrino individual tenga una probabilidad bajísima de interactuar con nuestro detector, si billones de ellos lo atraviesan cada segundo, antes o después uno de ellos acabará siendo detectado.
La existencia del neutrino la predijo en 1930 el físico Wolfgang Pauli, quien propuso esta partícula para explicar cómo la desintegración beta podría conservar la energía, el momento y el momento angular (spin). Si el electrón fuera la única partícula emitida en esa desintegración, debería tener siempre una energía concreta, diferente para cada isótopo de un átomo diferente. Sin embargo los electrones observados podían tener cualquier energía dentro de un determinado rango. Esto significaba que debía emitirse una tercera partícula, que se llevara la energía restante o que la conservación de la energía (y otras cantidades) podría no conservarse. Pauli llamó a esta partícula neutrón, pues aún no se conocía el compañero neutro que acompaña al protón en un núcleo atómico. Sin embargo, en 1932, James Chadwick descubrió una partícula nuclear eléctricamente neutra mucho más masiva y también la llamó neutrón, lo que llevó a la confusión de tener dos tipos de partículas con el mismo nombre. El término "neutrino" fue introducido en el vocabulario científico por Enrico Fermi, quien lo usó por primera vez en 1932.
En la teoría de la desintegración beta de Fermi, formulada en 1934, el neutrón de Chadwick podía descomponerse en un protón, un electrón y una pequeña partícula neutra (ahora llamada antineutrino electrónico). El trabajo de Fermi unificó el neutrino de Pauli con el positrón de Dirac y el modelo neutrón-protón de Heisenberg, proporcionando una base teórica sólida para el trabajo experimental futuro.
Estas partículas, que no parecían tener masa, ni carga eléctrica, parecían casi imposibles de detectar. De hecho no fue hasta 1956 que obtuvimos la primera prueba experimental de su existencia, durante el experimento diseñado por Clyde Cowan y Frederick Reines. El experimento utilizó el flujo de antineutrinos que supuestamente emanaban de un reactor nuclear, para hacerlos reaccionar con alguno de los átomos del agua contenida en grandes tanques. Concretamente buscaban observar la reacción por la cual uno de estos antineutrinos interaccionaba con un protón, dando lugar a un neutrón y un positrón. El positrón se desintegraría casi inmediatamente con algún electrón cercano, emitiendo dos fotones de energías muy concretas. Por otro lado, el neutrón podía ser capturado por un núcleo atómico de gran tamaño, emitiendo también luz en el proceso. Se disolvió una sal de cloruro de cadmio en los tanques de agua, pues el cadmio sería perfecto para conseguir la captura de los neutrones creados.
Si se detectaban las dos señales simultáneamente, la aniquilación del positrón por un lado y la captura del neutrón por otro, se tendría la certeza de que ambas partículas se habían creado a partir de la captura de un antineutrino. Eso mismo se consiguió, detectando por primera vez esta elusiva partícula, descubrimiento que sería recompensado con el premio Nobel casi 40 años más tarde, en 1995.
Referencias:
- Griffiths, D. (2009). Introduction to Elementary Particles (2nd ed.). pp. 314–315. ISBN 978-3-527-40601-2.
- "The Nobel Prize in Physics 1995". The Nobel Foundation. Yang, C. N. (2012).
- "Fermi's β-decay Theory". Asia Pacific Physics Newsletter. 1 (1): 27–30. doi:10.1142/s2251158x12000045
