domingo, 1 de septiembre de 2019

Neutrinos - Alberto Casas

¿Qué son los neutrinos?
(Por Alberto Casas)



Los neutrinos son partículas fascinantes que ostentan varios «records». Por ejemplo, son las partículas de materia más ligeras que se conocen. Son también, por lo que sabemos, las partículas de materia más abundantes del universo, solo superadas en número por las partículas de luz, los fotones. Y son las partículas conocidas más difíciles de detectar, ya que interaccionan muy poco con la materia, razón por la cual se tardó mucho en descubrirlas, a pesar de su abundancia. Pensemos que los neutrinos atraviesan la Tierra sin inmutarse (y lo mismo harían con muchos millones de Tierras puestas en hilera). Todos estos records pueden servir para otorgar a los neutrinos el título de "partículas más escurridizas". Pero ¿por qué existen los neutrinos y a qué se deben sus enigmáticas propiedades? Antes de profundizar en ello, hagamos un poco de historia.

La existencia de los neutrinos fue predicha por el gran físico austriaco Wolfgang Pauli en 1930. Pauli observó que en la desintegración de ciertos núcleos radiactivos se producía la misteriosa desaparición de una pequeña cantidad de energía, contradiciendo aparentemente el principio de conservación de la energía. Para resolver el problema, Pauli propuso que, en esas desintegraciones, además de los productos de la desintegración visibles, se producía una partícula indetectable y desconocida que se llevaba la energía que faltaba. En 1934 Fermi bautizó la partícula con el nombre de neutrino. Y hubo que esperar hasta 1956 para que fuera detectada por vez primera.

Con el paso de los años hemos aprendido mucho acerca de los neutrinos, aunque aún quedan aspectos esenciales por aclarar. Los neutrinos, que se suelen denotar por la letra griega n ("nu"), son partículas sin carga eléctrica. Su única interacción conocida, aparte de la gravitatoria, es la llamada interacción débil (ver capítulo 46). Existen tres tipos de neutrinos, llamados neutrino electrónico (ne), neutrino muónico (νμ) y neutrino tauónico (ντ). Estas denominaciones hacen referencia a la partícula cargada (electrón, muón o tau) con la que establecen interacciones. El último neutrino en ser detectado fue el tauónico, ντ, en el año 2000; si bien su existencia ya había sido puesta de manifiesto en los años 70. Se podría pensar que puede haber otras especies de neutrinos aún por descubrir, pero no es así. A partir de resultados de aceleradores de partículas se han reunido pruebas convincentes de que no hay más tipos de neutrinos. Mejor dicho, si los hubiera, deberían ser radicalmente distintos de los conocidos.

Los tres tipos de neutrinos son muy ligeros. De hecho, hasta 1998 no había pruebas de que tuvieran masa. Desde entonces sabemos que la tienen, pero no sabemos cuál es, solo ciertos límites entre los que esta tiene que encontrarse. Concretamente, el neutrino más pesado ha de ser entre un millón y cien millones de veces más ligero que el electrón (la siguiente partícula más ligera).

Hablemos un poco de las fuentes de neutrinos en la naturaleza. La mayor parte de los que llegan a la Tierra provienen del Sol, y en cantidades extraordinarias. Ahora mismo usted está siendo atravesado/a, sin notarlo, por cientos de billones de estos neutrinos por segundo. Los neutrinos solares, que no se detectaron hasta 1968, se producen en los procesos de fusión nuclear que tienen lugar en el interior de nuestra estrella. Dichos procesos son complicados, pero en definitiva lo que hacen es convertir protones (o sea núcleos de hidrógeno) en núcleos de helio (formados por dos protones y dos neutrones). Esquemáticamente, por cada cuatro protones se produce un núcleo de helio más dos positrones (electrones positivos), dos neutrinos electrónicos y radiación electromagnética. La radiación producida es la fuente de la luz y el calor que nos llega del Sol. Curiosamente, cada fotón de luz generado tarda cientos de miles de años en salir del Sol, ya que sigue una trayectoria errática al colisionar con las partículas cargadas que encuentra en su camino (protones, núcleos de helio, electrones, ...). Si el horno nuclear de fusión, que es en definitiva el corazón del Sol, se apagara, tardaríamos esos cientos de miles años en notarlo. Sin embargo, los neutrinos escapan instantáneamente del Sol, ya que apenas interaccionan con nada en su camino.  Y es gracias a ellos que sabemos que el interior del Sol está a pleno funcionamiento.

Los neutrinos se producen también copiosamente en las explosiones de estrellas (supernovas), y están presentes en los rayos cósmicos que llegan a la Tierra desde el espacio exterior. Por otro lado, son emitidos por todos los núcleos radiactivos que experimentan "desintegración beta" (emisión de un electrón), y se generan asimismo, en cantidades enormes, en las centrales nucleares. Estos últimos escapan de la central nuclear sin problemas pero no son peligrosos, ya que nos atraviesan sin producir el menor efecto. Finalmente, los neutrinos fueron producidos en cantidades extraordinarias al comienzo del universo, en los primeros segundos después del Big Bang. Esos neutrinos primigenios son de hecho los más abundantes en el universo. Sin embargo, son tan poco energéticos que aún no han podido ser detectados. Su descubrimiento es difícil y supondría una gran noticia ya que nos proporcionarían información directa de los primeros instantes tras la gran explosión.

Hasta ahora hemos descrito las propiedades más llamativas de los neutrinos. Pero ¿por qué son así? Para atacar esta cuestión conviene explicar cómo encajan los neutrinos dentro del llamado Modelo Estándar (ME) de la física de partículas, que es el esquema teórico del que disponemos para describir la fenomenología de las partículas elementales (hasta ahora con gran éxito).

En primer lugar, hay que decir que, hasta donde sabemos, los neutrinos son partículas verdaderamente elementales, o sea, no están compuestas de otras partículas. Solo 12 partículas de materia forman este grupo selecto. El protón y neutrón (los habitantes de los núcleos atómicos) no pertenecen a este grupo, ya que están compuestos de otras partículas llamadas quarks. Un protón esta hecho de dos quarks de tipo u (up) y un quark de tipo d (down). Podemos escribir p=uud. De la misma forma, la composición de un neutrón es n=udd. Pues bien, el neutrino electrónico, νe , junto al electrón, e,  y los quarks u y d, forman la llamada primera familia de partículas elementales (o familia del electrón):

                          νe                              u

                          e                              d

Existen otras dos familias de partículas elementales, totalmente análogas a la primera: la familia del muón (μ) y la del tau (τ); de forma que en total tenemos las 12 partículas mencionadas. El muón y el tau son prácticamente idénticos al electrón en todas sus propiedades, excepto en su masa: el muón es unas 200 veces más pesado que el electrón, y el tau unas 3.500. Cada uno tiene su familia completa, formada por un neutrino (νμ y ντ, respectivamente) y una pareja de quarks (c, s para el muón, y t, b para el tau). De hecho, cada familia es una réplica casi exacta de la anterior, excepto que las masas de sus partículas son mayores. Nadie sabe por qué la naturaleza se presenta en esta estructura de tres familias con una  jerarquía de masas. El ME no lo explica, sino que parte de este hecho. En ese sentido, el por qué de la existencia de los neutrinos es un misterio, tan grande como la existencia de cualquier otra partícula elemental. Sin embargo, hay que decir que, dada la existencia del electrón y sus interacciones débiles, la estructura matemática del ME exige la existencia de una partícula con las características del neutrino electrónico, νe. Y lo mismo sucede para las otras dos especies de neutrinos, νμ y ντ. Así que, en cierto modo, la teoría explica la existencia de los neutrinos y algunas de sus características, como su ausencia de carga eléctrica y sus interacciones débiles. ¿Y su masa? ¿Por qué es tan pequeña?

Desde el punto de vista teórico el origen y la pequeñez de la masa de los neutrinos es quizá la cuestión más interesante acerca de ellos, y está aún sin resolver, aunque hay modelos teóricos muy interesantes que podrían explicarla. De entrada hay que decir que el ME no da ninguna pista sobre las masas de los neutrinos. De hecho, según la formulación original de esta teoría los neutrinos deberían ser exactamente partículas sin masa, debido a la conservación de una cantidad llamada número leptónico (parecida en cierto modo a la conservación de la carga eléctrica). Sin embargo, desde 1998 sabemos que los neutrinos tienen masa, lo que obliga a una reformulación del ME, lo cual es de por sí muy interesante. En realidad, no es difícil extender el esquema teórico del ME de forma que, incluso manteniendo la conservación del número leptónico, las masas de los neutrinos sean distintas de cero. Pero entonces se plantea el problema de por qué son tan excepcionalmente pequeñas. Parece lógico pensar que debe haber alguna razón teórica detrás de esa pequeñez tan extrema.

Una forma alternativa de pensar es suponer que el ME es una teoría efectiva, válida solo hasta una cierta energía, digamos L, muy por encima de las energías accesibles en los aceleradores de partículas más potentes. Si la teoría completa, que está más allá del ME, viola la conservación del número leptónico, entonces los neutrinos pueden tener masa. Cuanto más grande sea L, más pequeña será la masa de los neutrinos (ya que los efectos de dicha violación están más lejanos). Los cálculos indican que si L » 1014 veces la masa de un protón, entonces la masa de los neutrinos estaría de forma natural en el rango observado. Si este esquema es correcto, la extrema pequeñez de las masas de los neutrinos nos está informando de física más allá del ME, y sugiriendo algunas de sus características: la no-conservación del número leptónico y la gran escala de energías a la que se encuentra. Para comprobar este esquema, hay que verificar experimentalmente que los neutrinos violan la conservación del número leptónico, algo que se está intentando en experimentos que buscan la denominada desintegración doble-beta de ciertos núcleos atómicos (todavía sin éxito). Así que, si este argumento es correcto, los neutrinos podrían ser los mensajeros privilegiados de la física fundamental que se encuentra a altísimas energías, inaccesible por cualquier otro procedimiento.

Para terminar, vamos a discutir un fenómeno extraordinario, que está en el corazón de todo lo que hemos aprendido sobre los neutrinos en los últimos años: las oscilaciones de neutrinos. Como hemos explicado, existen tres tipos de neutrinos: νe, νμ y ντ.  En la jerga de los físicos, estas especies se denominan "sabores" de los neutrinos. Sin embargo los neutrinos físicos, que tienen una masa determinada (aunque aún desconocida), no se corresponden con estos tres sabores, sino que son una mezcla de ellos. Este es un concepto difícil, que entronca con los postulados de la mecánica cuántica, según los cuales una partícula puede estar en una combinación de estados. Imaginemos que tenemos tres botellas llenas de zumo de naranja, de limón y de fresa, respectivamente. Estas botellas representan los tres neutrinos νe,  νμ y ντ.  Ahora tomamos tres botellas vacías y las llenamos con las tres anteriores pero mezclando los zumos. Estas nuevas botellas, llenas de tres "cócteles" distintos representarían los neutrinos con masa bien determinada, que se suelen denotar  ν1,  ν2 y ν3. Estos últimos son los que permanecen estables mientras se propagan, mientras que los otros van cambiando de naturaleza (un resultado de la mecánica cuántica). Esto significa que si creamos un neutrino electrónico, νe, por ejemplo en el interior del Sol, al cabo de un tiempo existirá una cierta probabilidad de que al detectar dicho neutrino nos encontremos que se ha transformado en νμ o ντ. Para que este fenómeno se dé, es necesario que los neutrinos tengan masas y que estas sean diferentes entre sí. Este es el fenómeno de oscilaciones de neutrinos que fue observado por vez primera en los neutrinos provenientes del Sol y en los que se crean en la atmósfera como resultado del impacto de rayos cósmicos ("neutrinos atmosféricos"). De esta forma se han podido determinar las diferencias de masa entre los neutrinos (aunque no su masa absoluta) y los llamados "ángulos de mezcla", que determinan como se mezclan los neutrinos (el contenido de los cócteles anteriores).

En definitiva, sabemos mucho acerca de estas partículas singulares, pero aún quedan cosas trascendentales por entender, las cuales podrían darnos pistas cruciales sobre la teoría última de la naturaleza.


Alberto Casas
Doctor en Física.
Profesor  de Investigación, Instituto de Física Teórica CSIC.