Los extraordinarios y elusivos neutrinos

Si hubiera que elegir, entre las componentes básicas de la materia del Universo, las más misteriosas y a la vez más interesantes, éstas serían los neutrinos. No en vano, están por todas partes y apenas se perciben; su función en el Universo es muy importante, pero quedan aún muchas incógnitas por resolver sobre su propia identidad; apenas tienen masa, pero no es nula como se creyó durante mucho tiempo; los experimentos para estudiarlas son muy voluminosos y algunos distanciados cientos de kilómetros entre sí; han dado lugar a muchos quebraderos de cabeza en la comunidad de científicos como ocurrió en 2011, cuando se midió su velocidad y se concluyó, por un error difícil de detectar, que superaban la velocidad de la luz. Y, últimamente, se propone su propia utilización para controlar la proliferación nuclear del planeta.

El conocimiento de su existencia surgió de una de las predicciones científicas más arriesgadas que se han realizado. No es extraño que dicha predicción viniera de una de las mentes más aventajadas de la ciencia, la de Wolfgang Pauli que, en 1930, propuso la existencia de los neutrinos electrónicos con el fin de explicar uno de los fenómenos radiactivos conocidos, la desintegración beta de los núcleos atómicos. Dicha desintegración consiste en la transformación espontánea de un neutrón en un protón y un electrón (partícula beta), a la que Pauli añadió una nueva partícula (hoy sabemos que es un antineutrino electrónico). Su amigo y colega, Enrico Fermi le bautizó como neutrino, por ser neutro eléctricamente y por su débil (imperceptible entonces) interacción con el medio. Fermi estableció, además, una teoría pionera de las interacciones nucleares débiles, para explicar el fenómeno.

Hubo que esperar a 1956 para que una colaboración, dirigida por Frederick Reines y Clyde Cowan, detectase los antineutrinos electrónicos en un reactor nuclear en Savannah River, Carolina del Sur. Efectivamente, detectaron algunas de las antipartículas de los neutrinos electrónicos, producidas en grandes cantidades en el reactor nuclear, al chocar con núcleos de cadmio de su aparato experimental y producir la reacción beta-inversa, en la que un protón se convierte en un neutrón y un positrón (antipartícula del electrón). Dicho experimento, por cuyos resultados Reines obtuvo el premio Nobel de Física de 1995 (junto a mi querido amigo y maestro, Martin Perl, descubridor del leptón tau), estaba previsto, inicialmente, con la utilización de explosiones nucleares como fuente, pero comprobaron que era factible y más eficaz utilizar reactores nucleares. El reactor del laboratorio nacional Oak Ridge en Savannah River tenía fines militares, de producción de plutonio y tritio para armas nucleares. El flujo de antineutrinos del reactor alcanzaba los 10 billones (10¹³) por cada centímetro cuadrado y segundo. El detector se situaba a algo más de 10 metros del reactor bajo tierra, donde el ruido producido por la radiación cósmica no impedía el experimento (Fig. 1). Su proyecto se denominó “Proyecto Poltergeist”

Fig.1: Imagen del detector y el mecanismo (Crédito: Los Alamos National Laboratory, CERN).

Los antineutrinos se producen, en los reactores nucleares, como consecuencia de la desintegración beta de los productos de fisión del uranio, del orden de seis por cada fisión.

Los antineutrinos electrónicos se producen siempre en asociación con los electrones. Con el advenimiento de los grandes aceleradores de partículas, partículas que se conocían exclusivamente por radiación cósmica como los muones, empezaron a producirse en grandes cantidades en los nuevos aceleradores. Estos muones procedían de la desintegración de otras partículas denominadas piones y una colaboración científica, dirigida por Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger en el gran acelerador AGS de Brookhaven, observó en 1962 que aparecían acompañados por neutrinos o antineutrinos diferentes de los electrónicos. El descubrimiento del denominado neutrino muónico les valió el premio Nobel de Física de 1988.

En el año 2000, el experimento DONUT del laboratorio Fermilab, en Chicago, detectó la tercera familia de neutrinos, los neutrinos tauónicos, asociados a la partícula tau. Así pues, hay tres tipos diferentes de neutrinos y antineutrinos, cada uno de ellos asociado a diferentes partículas, electrón, muon y tau.

¿Hay más tipos de neutrinos? Esta pregunta pudimos responderla con nuestros experimentos en el acelerador LEP del CERN, durante los años 90 del siglo XX. Concretamente analizamos la desintegración en pares de neutrino-antineutrino del bosón Z que interviene en las interacciones nucleares (las llamadas débiles que son las que causan las desintegraciones beta, por ejemplo). En cada uno de los cuatro experimentos (a la sazón yo era coordinador de la física del tau en el experimento DELPHI) produjimos varios millones de bosones Z y obtuvimos el resultado que se muestra en la figura 2, que indica que el número de tipos de neutrinos ligeros (con masa menor a la mitad de la masa del Z) es tres. Hasta el momento no hay ninguna señal de que haya neutrinos más pesados.

Fig. 2. Medida de la resonancia Z en el LEP y observación del número de tipos de neutrinos

En los últimos años se ha comprobado que los neutrinos tienen masa y ello implica algo muy curioso y es que pueden oscilar de uno a otro tipo. Es decir, se puede producir un neutrino de un tipo y evoluciona en el tiempo con cierta probabilidad de ser observado como neutrino de otro tipo diferente. Por tanto, su propia esencia no está definida, existe como mezcla de los tres tipos y la probabilidad de que se observe en uno de ellos es oscilante en el tiempo. Los parámetros de dichas oscilaciones dependen de la diferencia de masas entre los distintos tipos, así como de la energía y de la distancia entre la creación y la observación, de modo que controlando energía y distancia podemos hacer medidas de diferencias de masas (realmente de diferencia entre los cuadrados de las masas). Por ello se están llevando a cabo experimentos en los que grandes aceleradores como los del CERN en Europa, Fermilab en USA o KEK en Japón producen flujos muy colimados e intensos de neutrinos que se redirigen a laboratorios subterráneos a cientos de kilómetros de distancia, donde algunos son detectados y analizados.

Hemos visto cómo los neutrinos se producen en los reactores nucleares, donde fueron descubiertos por primera vez (realmente los antineutrinos, pero utilizaré la denominación de neutrino a partir de ahora ya que no modifica las ideas que pretendo transmitir). También se producen en las colisiones de partículas en los grandes aceleradores, pero la historia de la física de neutrinos ha tenido momentos decisivos con neutrinos procedentes del Sol y de la atmósfera, y aún siguen siendo muy importantes y complementarios.

En efecto, el Sol es un enorme reactor nuclear que produce una ingente cantidad de neutrinos, 1.8 10³⁸ neutrinos electrónicos por segundo, de modo que a la Tierra nos llegan 6.4 10¹⁰ por cada cm² y segundo. No los sentimos, porque su interacción con el medio es tan débil que nos atraviesan a nosotros y a toda la Tierra, sin apenas producir efecto alguno, pero es energía que sale del Sol, de la misma manera que sale la radiación electromagnética que nos calienta. Sin embargo, al ser un flujo tan enorme, un buen detector colocado adecuadamente puede observar una mínima fracción de ellos, dándonos información sobre su comportamiento y sobre la propia dinámica solar. Es lo que pensaron y realizaron Raymond Davis Jr. y John Bahcall, en 1964, utilizando algo más de seiscientas toneladas de percloroetileno (C2Cl4) en una mina de oro situada en Dakota del Sur, donde el ruido de fondo procedente de la radiación era suficientemente bajo. Observaron como los neutrinos solares convertían el Cloro-37 en Argon-37, radiactivo, esperando del orden de dos sucesos escasamente al día. En 1968 pudieron publicar sus resultados, que resultaban ser un factor dos más pequeño de lo que predecían los modelos solares. Desde entonces se han ido perfeccionando modelos y medidas y el factor dos se ha mantenido, indicando, como veremos, la existencia de las oscilaciones a las que antes me he referido. Davis logró el premio Nobel de Física en 2002.

El descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos se logró con un experimento espectacular, llamado Superkamiokande, situado en las minas de Kamioka, en el occidente japonés (Fig. 3). Utilizaba cincuenta mil toneladas de agua colocadas en un tanque cilíndrico de 36 metros de profundidad y 34 metros de diámetro, además de más de once mil fotomultiplicadores de medio metro de diámetro. Una cúpula externa con cerca de dos mil fotomultiplicadores cerraba el detector y servía para controlar las señales producidas fuera del detector interno y así reducir el ruido. Los neutrinos que chocan con los electrones del agua les convierten en relativistas, de modo que al frenarse en el agua emiten radiación electromagnética por un efecto llamado radiación de Cerenkov, que es recogido por los fotomultiplicadores, produciendo círculos de señal. Tanto la energía de los neutrinos como su dirección puede determinarse, de modo que el máximo del flujo apunta en la dirección del Sol. El resultado, publicado en 1998, mostraba que el flujo observado era la mitad del esperado, confirmando el fenómeno de oscilación de los neutrinos electrónicos procedentes del Sol. Ello le valió a Masatoshi Koshiba, recientemente fallecido, compartir el premio Nobel de Física de 2002, con Raymond Davis. Otros experimentos confirmaron estos resultados, en particular el experimento SNO, en Sudbury, Canadá, que fue capaz, no solamente de confirmar el déficit solar de neutrinos electrónicos procedentes del Sol, sino también medir el flujo de neutrinos de cada tipo.

Fig. 3: El detector Superkamiokande (créditos: ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), the University of Tokyo)

La otra gran fuente natural de neutrinos procede de la atmósfera y es debida a la colisión de partículas cósmicas al chocar con los núcleos de la atmósfera. En estos choques se producen grandes cantidades de piones que se desintegran en muones y neutrinos muónicos. Por otra parte, los muones se desintegran en electrones y neutrinos electrónicos y muónicos a la vez, de modo que los experimentos, como el propio Superkamiokande por ejemplo, esperan un flujo de neutrinos atmosféricos compuestos por dos veces más del tipo muónico que del electrónico. Sin embargo, los resultados experimentales observan un déficit de neutrinos muónicos cuando vienen de abajo (atravesando la Tierra), mientras que el resultado concuerda con lo esperado, para ambos tipos de neutrinos, cuando proceden de arriba. Todo ello es acorde con la teoría de las oscilaciones de neutrinos pues, como he indicado previamente, la probabilidad de transformación depende de la distancia entre producción y detección.

Hay otras fuentes apasionantes de neutrinos como son las supernovas (de hecho, en 1987, los detectores Kamiokande y otros detectaron la supernova 1987-A producida en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia a 163000 años luz de la Tierra). Y, además, el modelo cosmológico estándar predice la existencia de la radiación de neutrinos cósmicos, equivalente a la radiación cósmica de fondo de fotones, pero más fría (1,9 Kelvin) e intensa (110 neutrinos de cada tipo por cada centímetro cúbico del Universo). Al ser tan elusivos no es posible observarlos, hoy por hoy.

Los primeros experimentos con neutrinos en reactores nucleares utilizaban cadmio en los detectores, pero se mejoraron con la utilización de blancos más sensibles, como gadolinio (y, posteriormente, litio). Además se construyeron otros experimentos como Double-Chooz en Francia, RENO en Corea del Sur y Daya Bay, en China y se mejoró la sensibilidad de los mismos,de modo que el conjunto de parámetros característicos de las oscilaciones entre los tres tipos de neutrinos se ha medido, observándose ciertas tensiones que inducen a creer en la posibilidad de la existencia de los denominados neutrinos estériles, mucho más elusivos que los neutrinos conocidos, al no estar sometidos a ninguna de las interacciones conocidas. Pero aún es una incógnita por despejar y habrá que esperar a los resultados de los experimentos en marcha y diseñados para el futuro, mucho más sensibles.

Los neutrinos tienen también una aplicación práctica interesante para el control de la proliferación nuclear, que se está desarrollando actualmente. En efecto, pueden ayudar en temas de diplomacia nuclear como las que han surgido últimamente en Irán o en Corea del Norte. Detectores de neutrinos colocados estratégicamente a cierta distancia de reactores nucleares pueden controlar la posible utilización de dichos reactores para producción de plutonio u otros aspectos de seguridad nuclear.

Hay una enorme actividad científica internacional en torno a la física de los neutrinos, que es considerado como una rama estratégica para el conocimiento de la materia del Universo. En este artículo he tratado de mostrar algunas pinceladas de un campo en el que participan miles de científicos y abarca muchos aspectos, además de ofrecer posibles líneas de transferencia tecnológica de gran calado.