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Durante una semana al año, físicos de todo el mundo se reúnen para discutir la física que rodea a una partícula, el neutrino. Puede parecer tentador concluir que dedicar una conferencia de una semana entera a una sola partícula es, en el mejor de los casos, una hipérbole. Especialmente cierto cuando se considera que esta partícula está interactuando tan débilmente, que mientras leía este párrafo inicial, cientos de miles de millones de ellas han atravesado cada centímetro cuadrado de su cuerpo. No es de extrañar que algunos científicos tengan neutrinos en el cerebro, con tantos que pasan constantemente a través de él.

La primera detección de un neutrino en una cámara de burbujas en 1970 (Laboratorio Nacional de Argonne)

Estos neutrinos surgen de una variedad de fuentes; la mayoría de los que nos llegan aquí en la Tierra se originan en el Sol, creados por los procesos nucleares que alimentan a nuestra estrella, otros se crean en la atmósfera superior cuando es golpeada por los rayos cósmicos. Incluso los neutrinos más exóticos se originan a partir de eventos cósmicos violentos como estallidos de rayos gamma y supernovas fuera de nuestro sistema solar.

El estudio de los neutrinos es tan vital para la física moderna que podría explicar enigmas persistentes como la naturaleza de la materia oscura e incluso brindar la clave para una teoría cuántica de la gravedad. Pero, el descubrimiento del neutrino tiene orígenes humildes, y surge de la necesidad de preservar algunos de los principios rectores más importantes y antiguos de la física.

Salvando las leyes de la conservación

El descubrimiento de un nuevo elemento o fenómeno en la física suele nacer de la observación de una pieza que falta en el rompecabezas general del Universo, la necesidad de explicar alguna faceta de la naturaleza que desafía las expectativas. Con los neutrinos, la especulación inicial comenzó en la década de 1930 cuando uno de los padres de la física cuántica, Wolfgang Pauli, notó que en la desintegración beta, tanto la energía como el momento angular no se conservaban. El neutrón se descompuso en protones y electrones, pero estos productos secundarios tenían menos energía y momento angular que su padre.

Esto violó las leyes de conservación para ambas propiedades, pero Pauli postuló que si hubiera alguna partícula que no interactuara que se llevara energía y momento angular, eso evitaría tal violación. La desintegración beta en realidad resultó en un protón, un electrón y un neutrino, más específicamente, un antineutrino.

La desintegración beta, tal como se entiende hoy, da como resultado tres partículas hijas con el antineutrino que se lleva la energía faltante que preocupaba a Pauli.

Pasarían otras dos décadas, más o menos, antes de que los físicos estadounidenses Clyde Cowan y Frederick Reines, de las universidades de Washington, Nueva York, respectivamente, realizaran un experimento homónimo para detectar la emisión de neutrinos de un reactor nuclear. La búsqueda de más neutrinos estaba en marcha y requeriría métodos y equipos cada vez más complejos y sensibles, superando los límites de la física experimental.

Un fantasma en el zoológico de partículas: ¿Qué es un neutrino?

Los neutrinos son partículas fundamentales que, como se mencionó anteriormente, casi no tienen masa ni carga. De hecho, la masa de los neutrinos es tan pequeña que durante muchos años los científicos creyeron que era cero. Ciertamente son mucho más pequeñas que las otras partículas elementales.

Esta falta de masa y carga sustanciales significa que las cuatro fuerzas fundamentales de los Universos; los neutrinos apenas sienten la gravedad y no están influenciados por las fuerzas electromagnéticas en absoluto. Del mismo modo, la fuerza nuclear fuerte que actúa principalmente entre los protones y los neutrones en los núcleos atómicos no afecta a los neutrinos. Solo la fuerza débil que mitiga la descomposición de los átomos y el cambio de sabor de las partículas fundamentales tiene un efecto real sobre el neutrino.

En muchos aspectos, los neutrinos son muy similares a los electrones en cuanto a las influencias que sienten. Y al igual que los electrones, los neutrinos se clasifican como partículas de leptones con un giro de 1/2 que no interactúan con la fuerza fuerte.

El zoo de partículas según el modelo estándar de la física de partículas. Cada leptón está perseguido por su propio neutrino de partículas fantasma (Wikipedia Commons/MissMJ/PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group)

Los leptones se pueden dividir aproximadamente en dos familias distintas, cargadas y no cargadas, y dentro de estas categorías existen otras subcategorías. Así por ejemplo; el más famoso de los leptones cargados, el electrón, viene acompañado del muón y del tau, 200 y 3500 veces la masa del electrón respectivamente. Por supuesto, cada uno de estos viene con una antipartícula correspondiente, el positrón, el anti-muón y el anti-tau.

Pero esta simetría es más profunda; cada una de estas partículas también viene con un neutrino correspondiente, el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau. En las raras ocasiones en que una de estas partículas interactúa con la materia, produce su correspondiente leptón cargado.

Por lo tanto, mientras los neutrinos atraviesan el espacio a una velocidad cercana a la de la luz, apenas interactúan con la materia que encuentran. Efectivamente, son fantasmas que rondan el zoológico de partículas. Esto nos lleva a una pregunta interesante; ¿Cómo capturar un fantasma?

¿A quien vas a llamar? Cowan y Reines (¿a quién esperabas?)

La naturaleza fantasmal de los neutrinos significa que es muy difícil atraparlos directamente. Esto significa que la detección temprana de neutrinos fue indirecta, observando los raros efectos que tienen sobre otra materia, o incluso el efecto que la materia tiene sobre aún más materia.

La clave inicial para detectar un neutrino se remonta a la desintegración beta, el proceso que primero alertó a Pauli sobre su existencia. Si esa interacción pudiera ocurrir a la inversa, la desintegración beta inversa, entonces un neutrino electrónico debería interactuar ocasionalmente con un protón para producir un neutrón y un positrón. Este último es crucial para detectar esta interacción, ya que es su aniquilación al encontrarse con un electrón y la creación de rayos gamma distintivos, lo que alerta a los investigadores sobre la presencia de un neutrino.

Obviamente, la rareza de las interacciones entre los neutrinos y la materia significa que los investigadores necesitan dos cosas para detectar la firma de tal proceso; muchos neutrinos y mucha materia para que estos neutrinos interactúen. Después de que Cowan y Reines abandonaron la idea de experimentar con el flujo de neutrinos de las pruebas de bombas atómicas, el dúo decidió utilizar un reactor nuclear en Los Álamos, sede del Proyecto Manhattan, como fuente de partículas.

Para su objetivo de materia, el equipo usó dos tanques de agua extremadamente grandes, intercalados entre tanques llenos de un centelleador líquido, una sustancia que emite destellos de luz cuando es golpeada por rayos gamma. Estos destellos pueden ser detectados por dispositivos que convierten los fotones en tubos fotomultiplicadores de señales eléctricas.

Reines y Cowans mejoraron el detector de neutrinos en 1956, año en que realizaron la primera medición exitosa de un neutrino. (Reines y Cowan, 1956)

Por lo tanto, en 1956, después de refinar su detector, Cowan y Reines realizaron la primera medición indirecta de neutrinos, sin detectar las partículas salientes producidas en la desintegración beta, sino infiriendo los neutrinos entrantes que desencadenan la desintegración beta inversa. El 14 de junio de ese año enviaron un telegrama a Wolfgang Pauli revelando el descubrimiento del neutrino. Él respondió: Gracias por el mensaje. Todo le llega a quien sabe esperar.

Los métodos de detección de neutrinos se desarrollarían a partir de aquí, a menudo involucrando enormes cubas de líquidos como materia objetivo. A veces, sustancias sorprendentes en eso.

¡Ayuda! ¡Faltan algunos de nuestros neutrinos!

Cuando piensas en experimentos científicos complejos y sensibles y en los aparatos que involucran, probablemente no te venga a la mente inmediatamente el líquido de limpieza en seco. Pero, gracias a los astrofísicos Raymond Davis y John Norris Bahcall, la historia de la detección de neutrinos se puede contar sin tocar este líquido de limpieza mundano.

La intención del dúo era recolectar neutrinos emitidos por un horno nuclear mucho más grande que el utilizado por Cowan y Reines, Davis y Bahcall estudiarían los neutrinos solares emitidos por nuestra estrella. El experimento de Homestake se llevó a cabo a casi 5,000 pies bajo tierra en la mina de Homestake en Dakota del Sur con 100,000 galones de percloroetileno, una sustancia que se usó más comúnmente para la limpieza en seco entre 1970 y 1994. Desde entonces, los detectores de neutrinos han seguido esta tendencia, enterrados bajo tierra para protegerlos de señales falsas. derivados del bombardeo con rayos cósmicos.

Tanque detector de minas Davis and Bahcalls Homestake que contiene 100 000 galones de tricloroetileno enterrados a 5000 pies bajo tierra (Laboratorio Nacional de Brookhaven)

Durante los primeros años de operaciones, los astrofísicos descubrieron un problema con los neutrinos provenientes del Sol. No había suficientes de ellos.

Bachall había calculado la tasa a la que los equipos detectores deberían capturar neutrinos, pero durante el transcurso del experimento, los neutrinos contados totalizaron solo un tercio de este número. Al principio, se supuso que el dúo había cometido algún error en sus cálculos, pero las comprobaciones repetidas no permitieron descubrir ningún error.

Lo que el experimento de Homestake había descubierto en realidad era el llamado problema de los neutrinos solares. Un problema que tardaría casi cuatro décadas en resolverse. Curiosamente, el físico nuclear soviético Bruno Pontecorvo ya había propuesto una solución al aparente déficit en el flujo de neutrinos del Sol en 1957, que reelaboró ​​y revisó en 1968.

Pontecorvo había sugerido que si los neutrinos electrónicos que abandonan el Sol tuvieran masa, podrían cambiar de sabor durante el viaje a la Tierra y a nuestros detectores en espera. Entonces, una muestra de neutrinos electrónicos puros llegaría como un lote mixto de neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau. Los detectores de Homesake solo eran capaces de detectar neutrinos electrónicos, por lo que faltaban 2/3 de los neutrinos solares emitidos.

Inicialmente, los físicos se mostraron reacios a considerar seriamente la teoría de Pontecorvos, principalmente porque requería una revisión importante del modelo estándar de física de partículas.

Imagen obtenida con el Telescopio Schmidt de ESO de la Nebulosa de la Tarántula en la Gran Nube de Magallanes. La supernova 1987A es claramente visible como la estrella muy brillante en el centro a la derecha. En el momento de esta imagen, la supernova era visible a simple vista. (ESO)

A pesar de este arrastre de talón, en febrero de 1987 se detectaron fotones de una supernova de tipo II, a 168.000 años luz de la Tierra. La observación de SN1987A, como se conoció, confirmó que los neutrinos sí poseían algo de masa. Si no lo hicieran, viajarían a la velocidad de la luz y, por lo tanto, los neutrinos del SN1987A habrían golpeado la Tierra al mismo tiempo que los fotones de ese evento.

Desafortunadamente, esto por sí solo no pudo resolver el problema de los neutrinos solares. Como la detección de neutrinos fue tan difícil, fue imposible sacar conclusiones firmes de este evento. Sin embargo, el problema se resolvería pronto, gracias principalmente a las observaciones realizadas por el detector Super-Kamiokande en Japón y los datos recopilados por el Observatorio de neutrinos de Sudbury (SNO), Canadá, en 1998 y 1999 respectivamente.

A la intemperie: Detección de neutrinos hoy

La concesión del Premio Nobel de física de 2002 a Ray Davies por su detección de neutrinos solares realmente señaló que había llegado la era de la física de neutrinos. Además de esto, el premio de 2015 se otorgaría a Takaaki Kajita en Japón y Arthur B. McDonald en Canadá, por su trabajo en el descubrimiento de la oscilación del sabor de los neutrinos y la solución del problema de los neutrinos solares en Super-Kamiokande y los Observatorios de Neutrinos de Sudbury, respectivamente.

El interior del detector Super-Kamiokande en Japón está revestido con 13.000 sensores para identificar signos de neutrinos. (Observatorio Kamioka, ICRR (Instituto para la Investigación de Rayos Cósmicos), Universidad de Tokio)

Al igual que el detector Homestake, ambos detectores consisten en tanques gigantes de líquido enterrados en las profundidades de la Tierra. Super-Kamiokande se encuentra a 3.000 pies bajo el monte Ikeno, 50.000 toneladas de agua ultrapura y 13.000 tubos fotomultiplicadores que detectan la radiación Cherenkov, creada cuando los neutrinos hacen que los electrones se muevan más rápido a través del agua que incluso la luz.

Esto puede parecer contradictorio, nada se mueve más rápido que la luz, ¿verdad? Eso es un vacío. A través de los materiales, los electrones pueden moverse más rápido que los fotones en ese mismo material, aunque no tan rápido como la luz en el vacío. La misma lógica explica por qué los neutrones pueden escapar del núcleo del Sol más rápido que la luz. Los fotones se ven obligados a interactuar con el material denso en el núcleo de una estrella, mientras que los neutrinos pueden atravesarlo sin impedimentos.

Vista exterior del detector del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (Cortesía de SNO)

El detector SNO no es tan grande como Super-Kamiokande, que contiene 1000 toneladas de agua dura, alrededor de 10 000 tubos fotomultiplicadores, pero su profundidad de casi 7000 pies por debajo lo hace realmente imponente.

Pero, cuando se trata de detectores de neutrinos, es difícil imaginar uno tan verdaderamente aislado como el acertadamente IceCube Neutrino Observatory o simplemente IceCube. El observatorio operado por el CERN ubicado en Anartacia consta de miles de sensores ópticos esféricos llamados Módulos Ópticos Digitales (DOM) enterrados a profundidades que van desde alrededor de 5000 a 8000 pies a lo largo de un kilómetro cúbico.

El laboratorio aislado IceCube en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur en la Antártida monitorea el telescopio de neutrinos más grande del mundo, que consta de más de 5000 sensores ópticos ubicados en un kilómetro cúbico de la capa de hielo polar (NSF/S Lidstrm)

Cada DOM está conectado a una cadena dentro de otras 59 unidades y posee su propio tubo fotomultiplicador y una computadora de recolección de datos que envía información a una casa de conteo central.

En 2013, tres años después de que comenzara sus operaciones, IceCube detectó 28 neutrinos desde fuera de nuestro sistema solar, y la instalación es capaz de detectar neutrinos en una gama más amplia de energías que sus indudablemente impresionantes contemporáneos.

Un diagrama de las unidades IceCube (NASA-verve IceCube Science Team Francis Halzen, Department of Physics, University of Wisconsin)

En los próximos años, los investigadores de instalaciones como Super-Kamiokande y SNO impulsarán la ciencia de los neutrinos en investigaciones que podrían responder a algunos de los misterios más fundamentales de la física, incluidos los intentos de descubrir la naturaleza de la materia oscura. Mientras tanto, la detección de neutrinos estériles en IceCube podría incluso ayudar a verificar la teoría de cuerdas como una teoría de unificación válida que reúne la relatividad general y la física cuántica y crea un modelo de gravedad cuántica.

La verdad es que, por insignificantes que sean sus interacciones, el papel del neutrino en la física que gobierna el Universo es todo lo contrario.

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