Lo que es un… Neutrino

ISSN: 2665-3974 (en línea)

Lua revista 5, enero-junio 2021

Mario A. Acero Ortega – marioacero@mail.uniatlantico.edu.co

“In order to understand the universe that we live in,

It looks like we’ll need to understand the neutrino”

Dave Schmitz, Physicist at Fermilab

“Try to imagine a spaceship that could pass right through the Earth 

without even noticing it was there; 

a spaceship that could cross the vastness of the space at the speed of light, 

and then penetrate into the very heart of subatomic matter 

to seek out its fundamental structure. 

Imagine, then, a particle that is almost nothing 

that can tell you almost everything about the structure of the matter 

and the evolution of the Universe. Impossible?”

Cristine Sutton, Spaceship neutrino

Con dos frases sencillas, simples, el diccionario de la RAE ofrece una respuesta, sin mayores detalles, a nuestro anuncio de lo que es un neutrino, remitimos a nuestro lector ahí. 

¿Inconforme? Qué tal si, más allá de una definición, se explora el horizonte que se nos ofrece conocer y utilizar los neutrinos y si lo que sigue aún no es suficiente, espero abrir las puertas de su curiosidad.

Hace muchísimo tiempo quería escribir sobre esta partícula; entre otras cosas, porque he dedicado gran parte de mi vida profesional a estudiarla, a tratar de contribuir al avance de la comprensión de la física de esta misteriosa entidad. Me refiero al neutrino. No voy a escribir sobre el neutrón, que seguramente es más familiar para todos pues es muy probable que en algún curso de química, en algún texto científico de divulgación, en alguna noticia, se haya escuchado o leído algo sobre los átomos y, entonces, allí se encuentra al neutrón. En cambio, no hallamos al neutrino tan frecuente ni tan fácilmente, a pesar de que en el universo, hay muchos más neutrinos que neutrones; de hecho, existen más neutrinos que cualquier otra partícula con masa. 

Describir lo que es un neutrino no es nada fácil y puede incluso que no resulte muy atractivo para muchos. La idea de dar una definición formal de una partícula que, como casi todas, no podemos ver ni sentir de (prácticamente) ninguna manera es una tarea muy delicada y complicada, por lo que no lo intentaré acá. En su lugar, trataré de transmitir una idea de ella explicando lo útil que nos resulta (o resultará), con base en lo relevante que ha sido, es y podría ser.

Sin embargo, no puedo dejar de decir algo básico, a manera de definición formal: los neutrinos son partículas elementales, es decir, sin estructura interna conocida y se caracterizan por, tal como los neutrones y contrario a los electrones (también muy familiares para todos, probablemente), no tener carga eléctrica. Esta característica es, en gran medida, la responsable de que sea tan difícil encontrarse con los neutrinos. Permítaseme, para terminar esta definición exprés, decir que hemos sido capaces de construir una teoría física, con una estructura matemática rigurosa, que nos permite comprender casi todas las propiedades de los neutrinos y los fenómenos que ellos experimentan. Esta teoría es conocida como el Modelo Estándar de partículas elementales. 

Ahora, ¿qué son los neutrinos? Lo primero que me gusta decir de ellos es que son salvavidas. La idea de la existencia del neutrino surge (Wolfgan Pauli, 4 de diciembre de 1930) como una propuesta para explicar la aparente falta (no conservación) de energía que se observaba en un fenómeno físico muy particular conocido como decaimiento beta. En este proceso, un núcleo atómico pesado cambia su configuración interna (uno de los neutrones se puede convertir -decae- en un protón) emitiendo un electrón. Las capacidades tecnológicas de la época, de los años 30, permitían detectar a las dos partículas cargadas, el protón y el electrón, pero al realizar la suma de las energías de ellas, las cosas no se ajustaban a lo esperado: ¡la energía final del sistema después del decaimiento resultaba menor que la inicial! Esto era supremamente serio porque, hasta ese momento, todos estaban convencidos de que la energía se conservaba, lo cual se constituía en uno de los fundamentos de la física. Tan impactante resultó esta observación que el mismo Niels Bohr (1885 – 1962), considerado uno de los padres de la mecánica cuántica, sugirió que, de hecho, en este tipo de procesos la energía no permanecía constante o, en términos técnicos, ¡la ley de conservación de la energía se violaba!

Por supuesto, esta sugerencia no era del agrado de muchas personas y entre ellas se encontraba Pauli (1900 – 1958) quien, para salvar(le) la (vida) a las bases de la física, a la ley de la conservación de la energía, propuso “la posibilidad de que en el núcleo pudieran existir partículas eléctricamente neutras, las que llamaré neutrones” (lamento el enredo, pero en esa época no se conocía aun al neutrón), responsables de llevarse la energía “faltante” en el estado final del sistema. Una propuesta audaz pero arriesgada, toda vez que iba a ser muy difícil de comprobar por las características tan peculiares que debían tener estas partículas. El mismo Pauli criticó posteriormente su propuesta, al afirmar que sugerir la existencia de una partícula que nunca se podrá detectar era algo que ningún físico teórico debería hacer. Después de muchos estudios teóricos y más trabajo experimental, en 1956 se logró observar evidencia que demuestra la existencia de los neutrinos, reivindicando la idea de Pauli, a pesar de sí mismo, contradiciendo al gran Bohr y, cómo no, salvándonos la vida.

Diagram

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Imagen del telegrama que F. Reines y C. Cown le enviaron a Pauli informándole sus resultados experimentales: habían “definitivamente, detectado neutrinos”. Tomada de https://neutrinos.fnal.gov/history/.

Más de 20 años tuvieron que pasar para detectar los neutrinos y no fue fácil porque sucede que los neutrinos son como fantasmas. No es solo que no se les puede ver, es que interactúan tan débilmente con cualquier cosa que se encuentre, que pueden atravesar una pared de plomo de ¡2 años luz de espesor prácticamente sin dejar evidencia alguna! Una fortuna para nosotros pues existen tantas fuentes de neutrinos a nuestro alrededor (como los bananos/guineos), que miles de millones de neutrinos cruzan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo y nosotros ni nos inmutamos. La enorme abundancia de neutrinos también es una fortuna, al menos desde el punto de vista de la ciencia. Las fuentes de neutrinos están dispersas por el universo entero, con lo que estas maravillosas partículas, al llegar a nuestro planeta, son como mensajeros de lugares extraordinariamente lejanos, trayéndonos parte de su historia (estructura, características, tipo de materia) y evolución. Gracias a los neutrinos hemos aprendido mucho sobre las estrellas y su vida (hasta su muerte en forma de supernovas), núcleos de galaxias y otros fenómenos astrofísicos que, de otra manera, sería muy difícil conocer, ¡incluyendo pistas del origen mismo del universo!

Ahora bien, gracias a lo mucho que hemos aprendido sobre los neutrinos, también hemos alcanzado ciertas habilidades para producirlos y detectarlos con mayor facilidad. Estos avances permiten que los neutrinos sean vigilantes de nuestra seguridad. El material radiactivo utilizado en las centrales nucleares para producción de energía eléctrica (uranio y plutonio, por ejemplo) es una fuente copiosa de neutrinos. Desafortunadamente, sin embargo, este no es el único uso que tienen esos elementos, por eso varios grupos de investigación se han dedicado a construir detectores de neutrinos que revelan la ubicación del material radioactivo. Así, la detección de neutrinos se convierte en un asunto de seguridad mundial.

Bueno, nuestra estrella más cercana, el Sol, también emite neutrinos y lo menciono porque hace unos años se creó una imagen del sol con base a los neutrinos que pudimos detectar:

A sunset in the background

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El sol visto en neutrinos. Por Super Kamiokande.

No solo nos revelan al Sol de una manera especial, los neutrinos también nos permiten ver al interior de nuestro planeta y nos enseñan su estructura, nos dejan explorar el interior de montañas y hasta de las pirámides de Egipto. Los neutrinos son unos fotógrafos especialmente maravillosos.

Finalmente, aunque se pueden decir muchas más cosas sobre lo que son los neutrinos, con base en las maravillas que hemos aprendido gracias a ellos desde su nacimiento, existe una hermosa idea aún no verificada experimentalmente, según la cual los neutrinos serían los principales responsables de que, en los primerísimos instantes de la existencia del universo, la materia de la que estamos hechos llegara a ser. Los físicos creen que, en su origen, el universo tenía tanta materia como antimateria (una suerte de contraparte de la primera, pero con características opuestas tales que, al estar ambas muy cerca, se aniquilan mutuamente produciendo luz). Pero allí estuvieron los neutrinos, con propiedades físicas que lograron desbalancear esa simetría en favor de lo que conforma todo lo que podemos ver y buena parte de lo que no. Cómo no emocionarse hablando y estudiando a los neutrinos si, desde este punto de vista, ellos son nuestra razón de ser.

La emoción que me genera este tema me haría extenderme más allá de lo que este espacio permite. Hay muchas cosas que tuve que dejar por fuera del texto, características y usos de los neutrinos que los hacen tan apasionantes. Espero, sin embargo, haber mostrado parte de lo hermosas que son estas partículas. Si ha llegado hasta acá, siento que habré logrado una parte importante de mi objetivo. Si, además, desperté su curiosidad y ésta lo lleva a buscar, a consultar más, lo habré logrado todo.

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