¿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.
